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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung und
ein Verfahren zum Vergrößern der
Breite der Totzone eines hydrostatischen Getriebes in einer Neutralstellung
des Betriebs, ohne die Leistung des hydrostatischen Getriebes im
aktiven Betrieb zu beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein hydraulisches System,
das die oben erwähnte Ventilvorrichtung
verwendet.
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Hydrostatische Getriebe dienen vielfältigen Zwecken,
darunter dem Antrieb von Fahrzeugen wie Mähmaschinen, und ermöglichen
eine stufenlose Steuerung der Maschinengeschwindigkeit. Ein typisches,
hydrostatisches Getriebesystem enthält eine Hauptpumpe mit veränderbarer
Verdrängung,
die in einem geschlossenen Hydraulikkreislauf mit einem hydraulischen
Antrieb mit unveränderbarer
Verdrängung
strömungsmäßig verbunden
ist. In den meisten Anwendungen wird die Pumpe durch einen Primärantrieb,
beispielsweise einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor,
mit einer gewissen Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung
angetrieben. Eine Änderung
der Verdrängung
der Pumpe ändert
deren Ausstoßrate,
welche die Drehzahl des Motors steuert. Die Pumpenausstoßrichtung
und somit die Richtung des Motors lässt sich umkehren. In einem
Fahrzeug ist der Motor unmittelbar oder über ein geeignetes Zahnradwerk
an die Räder
oder Ketten des Fahrzeugs gekuppelt. Die Beschleunigung bzw. Verzögerung des
Getriebes wird durch Verändern der
Verdrängung
der Hauptpumpe aus ihrer Neutralstellung gesteuert. Die vorliegende
Erfindung betrifft ganz allgemein das hydrostatische Getriebe und
insbesondere die hydraulische Pumpen-/Motoreinrichtung, in die Ventile
integriert sind, um in der Nähe
der Neutralstellung während
der Beschleunigungsphase des Getriebebetriebs einen gleichmäßigeren
Betrieb zu ermöglichen.
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Der geschlossene Hydraulikkreislauf
umfasst eine erste Leitung, welche den Hauptpumpenauslass mit dem
Motoreinlass strömungsmäßig verbindet,
und eine zweite Leitung, welche die Auslassöffnung des Motors mit dem Pumpeneinlass
verbindet. Abhängig
von der Richtung, in welche die Pumpe aus der Neutralstellung heraus
verstellt ist, kann jede dieser Leitungen die Hochdruckleitung sein.
Eine Ladepumpe ist dem hydraulischen Kreislauf hinzugefügt, um den
geschlossenen Kreislauf über
Rückschlagventile
mit Hydraulikfluid unter Druck zu setzen und auf diese Weise aufgrund
von innerer Undichtigkeit eventuell aufgetretenen Fluidverlust auszugleichen.
Weitere Ventile können
dem geschlossenen Kreislauf hinzugefügt sein. Beispielsweise können Hochdruckbegrenzungsventile
eingesetzt werden, um das hydrostatische Getriebe während dessen
Betrieb vor Überlastung
zu schützen,
Umgehungsventile können
verwendet werden, um dem Öl einen
Weg zu schaffen, über
den es ohne wesentlichen Widerstand von der einen Seite des Getriebes zur
anderen gelangt, und Heißölwechselventile
können
verwendet werden, um die Schleifentemperatur zu reduzieren, indem
die Niederdruckseite der geschlossenen Schleife strömungsmäßig mit
einem Abfluss verbunden ist, so dass ein Wiederauffüllen mit frischem,
gekühltem
Austauschhydraulikfluid möglich ist.
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In hydrostatischen Anwendungen wird
eine Übertotpunkt-Axialkolbenpumpe
mit veränderbarer Verdrängung verwendet.
Die Verdrängung
der Pumpe wird von den Abmessungen und der Anzahl der Kolben sowie
der Hublänge
bestimmt. Ein Steuergriff ermöglicht
einer Bedienperson, die Richtung und Menge des Pumpenausstoßes zu steuern.
Wenn eine Bedienperson den Griff in die eine Richtung drückt, liefert
die Pumpe einen Fluidstrom für
die eine Richtung des Motorbetriebs. Zieht die Bedienperson den
Griff in die entgegengesetzte Richtung, liefert die Pumpe Fluidstrom
für die
entgegengesetzte Richtung. Um ein rauhes, ruckartiges Anlaufen des
Motors zu vermeiden, wurde bisher aus dem Stand der Technik eine Öffnung mit
einem festen Durchmesser verwendet, die dem geschlossenen Kreislauf
hinzugefügt
wurde, um die Breite der Totzone des hydrostatischen Getriebes zu
vergrößern. Die
Totzone eines hydrostatischen Getriebes ist der Bereich des Nichtansprechens
des Getriebes in der Nähe
seiner Neutralstellung, in welcher der Motor seine Drehrichtung
aufgrund einer über
die Umgehungsöffnung
vorhandenen, internen Querkanalundichtigkeit nicht ändert. Diese Öffnung schafft
für die
Regelschleife einen Umgehungsströmungskanal,
vergrößert die
Totzone des Getriebes und sorgt für ein sanftes Anlaufen des
Motors aus der Neutralstellung des Getriebes heraus. Die Abmessung
der Öffnung
ist sehr ausschlaggebend, und der optimale Durchmesser kann durch
sorgfältiges
Beobachten der Änderung
von Beschickungseffekten der Maschine, die mit dem Verändern des Öffnungsdurchmessers
einhergehen, ermittelt werden. Die Öffnung kann ferner in sonstige hydraulische
Komponenten integriert sein, beispielsweise in die oben erwähnten, in
dem geschlossenen Kreislauf vorhandenen Ventile.
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Obwohl die zusätzliche Umgehungsöffnung zum
Erreichen eines gleichmäßigen Betriebs
einer Maschine in der Nähe
der Neutralstellung des hydrostatischen Getriebes beiträgt, weist
sie dennoch Nachteile auf, falls die Umgehungsöffnung unveränderlich
ist. Eine unveränderliche
Umgehungsöffnung erlaubt
einem gewissen Anteil der Strömung
in sämtlichen
Betriebsphasen des Getriebes von der Hochdruckseite hin zur Niederdruckseite
der Regelschleife auszuweichen. Diese unerwünschte Querkanalundichtigkeit
schmälert
nicht nur den Gesamtwirkungsgrad des hydrostatischen Getriebes, sondern erzeugt auch erhebliche Wärme, die
zu einem Anstieg der Betriebstemperatur der Regelschleife führt. Dies kann
ein Sicherheitsrisiko für
die Maschine darstellen und deren Lebensdauer reduzieren. Eine zusätzliche Kühlungsvorrichtung
kann hinzugefügt
werden, was jedoch die Kosten erhöht und möglicherweise Probleme schafft,
wenn der Raum beschränkt
ist. Gewünscht
ist, dass eine Öffnung
ihre Funktion, nämlich eine
Querkanalundichtigkeit zu schaffen, lediglich in der Nähe der Neutralstellung
des hydrostatischen Getriebes anbietet, und anschließend während des andauernden
Betriebs des Motors gesperrt ist.
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Der Stand der Technik, beispielsweise
das Patent
US-A-3 740 950 von
Polaski, schlägt
ein Beispiel einer Ventilblockkonstruktion für den Einsatz in einer Anwendung
eines hydrostatischen Getriebes vor, die einen Querkanalumgehungsdurchlass
und zwei durch eine Feder verbundene Rückschlagventile umfasst. Der
Strom durch das Ventil wird unterbrochen, wenn die Feder zwischen
den beiden Rückschlagventilen
zusammengedrückt
ist. Wenn eines der Rückschlagventile
geschlossen ist, ist der Strom über
die Bypasskanäle
ebenso wie jeder sonstige Strom durch den Ventilblock unterbunden.
Ohne den Einsatz eigener Ausgleichsrückschlagventile ist es bei
dieser Ventilblockkonstruktion einem fortgesetzten Druckfluid nicht
möglich,
die Niederdruckseite zu erreichen. Ein weiteres Dokument aus dem
Stand der Technik, nämlich
US-A-6 295 811 von Mangamo
et al., schlägt
ebenfalls eine Konstruktion vor, die eine Umgehungsöffnung in
einem Ventil verwendet, das dem Einsatz in Anwendungen hydrostatischer
Getriebe dient. Diese Konstruktion unterscheidet sich von der vorliegenden
Erfindung darin, dass sich die Öffnung
sperren lässt;
es sind allerdings eigene Rückschlagventile
erforderlich.
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Die Erfindung schafft eine hydraulische
Ventilvorrichtung, die ein Wechselventil, in das Umgehungsöffnungen
integriert sind, und ein optionales Rückschlagventil, das mit jedem
der Enden strömungsmäßig verbunden
ist, umfasst, für
den Einsatz in einem hydrostatischen Getriebe, um eine Steigerung
des Wirkungsgrads, einen kühleren
Betrieb, eine längere
Lebensdauer sowie ein ebenmäßigeres Anlaufen
für das
Getriebe zu ermöglichen.
Die Erfindung bewältigt
das Problem des Steuerns des Fluidstroms durch die Umgehungsöffnungen
während
des Betriebs und während
des Durchlaufens der Neutralstellung des hydrostatischen Getriebes.
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Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist es, eine hydraulische Ventilvorrichtung für den Einsatz in einem hydrostatischen
Getriebe zu schaffen, die dazu dient, einen Transfer von Fluid zwischen
einer ersten, zweiten und dritten Leitung innerhalb eines geschlossenen
Kreislaufes zu steuern, bei dem zwei der Leitungen eine erste und
zweite Druckleitung definieren und in Längsrichtung in ähnlichen
Abständen
von der verbleibenden Leitung, die in Drehrichtung gegenüber der
ersten und zweiten Druckleitung verstellt wird, angeordnet sind.
Die Ventilvorrichtung umfasst einen Ventilgrundkörper mit einem ersten Kanal
für den
Anschluss an die verbleibende Leitung, einen zweiten Kanal für den Anschluss
an die eine der ersten und zweiten Druckleitungen und einen dritten
Kanal für
den Anschluss an die andere der ersten und zweiten Druckleitungen;
der Ventilkörper
umfasst ferner eine Ventilschieberbohrung, die mit der ersten, zweiten
und dritten Leitung strömungsmäßig verbunden
ist. Die Ventilvorrichtung weist weiterhin einen Ventilschieber
auf, der für
einen abdichtenden Doppelhub innerhalb der Ventilschieberbohrung
konstruiert ist, mit einem ersten Endabschnitt, einem zweiten Endabschnitt,
einem Verbindungsabschnitt mit einer Querschnittsfläche, die kleiner
ist als der Querschnitt des ersten und zweiten Endabschnitts, einer
ersten Umgehungsöffnung
innerhalb des Ventilschiebers, die sich zwischen dem ersten Endabschnitt
und dem Verbindungsabschnitt erstreckt, und einer zweiten Umgehungsöffnung innerhalb
des Ventilschiebers, die sich zwischen. dem zweiten Endabschnitt
und dem Verbindungsabschnitt erstreckt.
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Der Ventilschieber lässt sich
aus einer Neutralstellung, in welcher der Ventilschieber innerhalb der
Ventilschieberbohrung in Längsrichtung
zentriert ist, und in der die Druckkräfte in der ersten und zweiten
Druckleitung im Wesentlichen übereinstimmen,
in eine erste Stellung, die auftritt, wenn die Druckkräfte in der
ersten Druckleitung größer sind
als die Druckkräfte
in der zweiten Druckleitung, oder in eine zweite Stellung, die auftritt,
wenn die Druckkräfte
in der ersten Druckleitung geringer sind als die Druckkräfte in der
zweiten Druckleitung, bewegen. Während
sämtlicher
dieser Stellungen, ist der Verbindungsabschnitt zumindest mit einem
Abschnitt des ersten Kanals strömungsmäßig verbunden.
Während
der Neutralstellung des Ventilschiebers fluchtet die erste Umgehungsöffnung mit
der ersten Druckleitung, um für eine
strömungsmäßige Verbindung
mit der verbleibenden Leitung zu sorgen, und die zweite Umgehungsöffnung fluchtet
mit der zweiten Druckleitung, um für eine strömungsmäßige Verbindung mit der verbleibenden
Leitung zu sorgen. Während
der ersten Stellung des Ventilschiebers sind die erste und zweite
Umgehungsöffnung
zumindest weitgehend gesperrt und der Verbindungsabschnitt ist mit
einer der ersten und zweiten Druckleitungen strömungsmäßig verbunden. Während der
zweiten Stellung des Ventilschiebers sind die erste und die zweite
Umgehungsöffnung
zumindest weitgehend gesperrt, und der Verbindungsabschnitt ist
mit der anderen der ersten und zweiten Druckleitungen strömungsmäßig verbunden.
An beiden Enden des Ventilschiebers sind Dämpfungseinrichtungen angeordnet,
die dazu dienen, den Ventilschieber während dessen Neutralstellung
gegenüber
der verbleibenden Leitung zu zentrieren.
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In der erwähnten Ventilvorrichtung erfolgt das
weitgehende Sperren der ersten und zweiten Umgehungsöffnung dadurch,
dass die Enden der Öffnungen
in den Endabschnitten des Ventilschiebers sich während der ersten und zweiten
Stellung des Ventilschiebers in einer an der Wand der Ventilbohrung
anliegenden Stellung befinden. In einem Ausführungsbeispiel der erwähnten Ventilvorrichtung weisen
die erste und zweite Umgehungsöffnung
jeweils eine Querschnittsfläche
auf, die ebenso groß ist wie
jene der Einlassleitung. Eine der erwähnten Ventilvorrichtungen verwendet
Federn als Dämpfungseinrichtungen.
Ferner ist das transferierte Fluidvolumen, während sich der Ventilschieber
in der Neutralstellung befindet, geringer als das transferierte
Fluidvolumen, während
der Ventilschieber sich in einer der ersten oder zweiten Stellungen
befindet. Während
einer Bewegung der erwähnten
Ventilvorrichtung, werden die ersten und zweiten Umgehungsöffnungen gleichzeitig
gesperrt, wenn der Ventilschieber entweder die erste oder die zweite
Stellung erreicht, und die erste und zweite Umgehungsöffnung werden gleichzeitig
freigegeben, wenn der Ventilschieber die Neutralstellung erreicht.
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In einer der erwähnten Ventilvorrichtungen ist
die erste Leitung eine Einlassleitung für einen Fluidausstoß der Ladepumpe,
und die zweite und dritte Leitung sind Auslassleitungen. Außerdem ist
der erste Kanal in Längsrichtung
gegenüber
dem zweiten und dritten Kanal zentriert. Zu dieser Ventilvorrichtung
gehört,
dass eine Länge
der ersten Umgehungsöffnung,
die in dem ersten Endabschnitt des Ventilschiebers angeordnet ist,
einen geringeren Querschnitt aufweist als eine Länge der ersten Umgehungsöffnung,
die in dem Verbindungsabschnitt des Ventilschiebers angeordnet ist,
und dass eine Länge der
zweiten Umgehungsöffnung,
die in dem zweiten Endabschnitt des Ventilschiebers angeordnet ist,
einen geringeren Querschnitt aufweist als eine Länge der in dem Verbindungsabschnitt
angeordneten zweiten Umgehungsöffnung.
In einer anderen Ausführungsform
der erwähnten
Ventilvorrichtung ist der Abstand zwischen dem Verbindungsabschnitt
und der ersten Umgehungsöffnung
an dem ersten Ende des Ventilschiebers gleich dem Durchmesser des zweiten
Kanals, und der Abstand zwischen dem Verbindungsabschnitt und der
zweiten Umgehungsöffnung
an dem zweiten Ende des Ventilschiebers gleich dem Durchmesser des
dritten Kanals.
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In einer anderen Ausführungsform
der erwähnten
Ventilvorrichtung sind die erste und zweite Leitung Einlassleitungen
und die dritte Leitung ist eine Auslassleitung ins Freie. In dieser
Version ist der dritte Kanal zwischen dem ersten und zweiten Kanal in
Längsrichtung
zentriert. Außerdem
ist der Abstand zwischen dem Verbindungsabschnitt und der ersten Umgehungsöffnung an
dem ersten Ende des Ventilschiebers gleich dem Durchmesser des ersten
Kanals, und der Abstand zwischen dem Verbindungsabschnitt und der
zweiten Umgehungsöffnung
an dem zweiten Ende des Ventilschiebers gleich dem Durchmesser des
zweiten Kanals.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden
Erfindung schließt
ein, dass eine der zuvor erwähnten,
hydraulischen Ventilvorrichtung ähnelnde
Anordnung geschaffen ist, bei welcher der Fluidtransfer aus einer einzigen
Einlassleitung hin zu einer ersten und zweiten Auslassleitung innerhalb
einer Regelkreisanordnung geregelt wird. Die Ventilvorrichtung umfasst
einen Ventilgrundkörper
mit einem ersten Kanal, der mit der Einlassleitung verbunden ist,
einem zweiten Kanal, der mit der ersten Auslassleitung verbunden ist,
einem dritten Kanal, der mit der zweiten Auslassleitung verbunden
ist, und einer Ventilschieberbohrung, die mit der Einlassleitung,
der ersten Auslassleitung und der zweiten Auslassleitung strömungsmäßig verbunden
ist. Diese Anordnung umfasst weiterhin einen einstückigen Ventilschieber,
der für
eine abdichtende Bewegung innerhalb der Ventilschieberbohrung konstruiert
ist, mit einem ersten Endabschnitt, einem zweiten Endabschnitt und
einem Verbindungsabschnitt mit einer Querschnittsfläche, die
kleiner ist als jene des ersten und zweiten Endabschnitts, wobei
der Ventilschieber sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten
Endabschnitt mindestens eine Öffnung
aufweist, die in strömungsmäßiger Verbindung
mit dem Verbindungsabschnitt steht, der zumindest mit einem Abschnitt
des ersten Kanals ständig
strömungsmäßig verbunden
ist. Der Ventilschieber lässt
sich mittels Fluiddruck innerhalb der Ventilschieberbohrung in Längsrichtung
aus einer Neutralstellung, in der die Fluiddruckkräfte, die
auf den ersten und zweiten Endabschnitt wirken, weitgehend übereinstimmen,
in eine erste Stellung, in der die Fluiddruckkräfte, die auf den ersten Endabschnitt wirken
größer sind
als die Fluiddruckkräfte,
die auf den zweiten Endabschnitt wirken, oder in eine zweite Stellung,
in der die Fluiddruckkräfte,
die auf den ersten Endabschnitt wirken, geringer sind als die Fluiddruckkräfte, die
auf den zweiten Endabschnitt wirken, bewegen.
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Die hydraulische Ventilvorrichtung
enthält ferner
ein in physikalischem Kontakt mit dem ersten Endabschnitt des Ventilschiebers
stehendes erstes Rückschlagventil,
das eine vollkommen geöffnete Stellung
aufweist, die einen Fluidtransfer von der Einlassleitung zu der
zweiten Auslassleitung erlaubt, wenn sich der Ventilschieber in
der zweiten Stellung befindet, und eine geschlossen Stellung aufweist, wenn
sich der Ventilschieber in der ersten Stellung befindet. Diese Anordnung
umfasst ferner ein in physikalischem Kontakt mit dem zweiten Endabschnitt des
Ventilschiebers stehendes, zweites Rückschlagventil, das eine vollkommen
geöffnete
Stellung, die einen Fluidtransfer aus der Einlassleitung zu der
ersten Auslassleitung erlaubt, wenn sich der Ventilschieber in der
ersten Stellung befindet, und eine geschlossene Stellung aufweist,
wenn sich der Ventilschieber in der zweiten Stellung befindet. Ein
Fluidtransfer erfolgt aus der Einlassleitung durch die in jeden
der ersten und zweiten Endabschnitte des Ventilschiebers befindlichen Öffnungen
zu den ersten und zweiten Auslassleitungen, wenn sich der Ventilschieber
in der Neutralstellung befindet, und der Transfer durch die Öffnungen
der beiden Endabschnitte wird weitgehend angehalten, wenn sich der
Ventilschieber entweder in der ersten oder in der zweiten Stellung
befindet.
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Diese erwähnte Ventilvorrichtung enthält eine
Ventilschieberbohrung, die einen zentralen, ersten Querschnittsabschnitt
umfasst, der zwischen zwei zweiten größeren Querschnittsendabschnitten liegt,
wobei jeder der Übergänge zwischen
den ersten und zweiten Querschnittsabschnitten ei nen Ventilsitz
definiert. In einer Version dieser Anordnung umfassen die Rückschlagventile
eine Rückschlagkugel und
eine Feder, die geeignet ist, die Kugel in abdichtenden Eingriff
mit einem zugeordneten Ventilsitz vorzuspannen. Eine Bewegung des
Ventilschiebers aus der ersten Stellung in die Neutralstellung oder
in die zweite Stellung rückt
die zweite Rückschlagkugel
aus ihrem zugeordneten Ventilsitz. Eine Bewegung des Ventilschiebers
aus der zweiten Stellung in die neutrale oder in die erste Stellung
rückt die
erste Rückschlagkugel
aus ihrem zugeordneten Ventilsitz.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden
Erfindung schließt
ein, dass ein hydraulisches System für den Einsatz in einem hydrostatischen
Getriebe geschaffen ist, das in Kombination umfasst: eine Pumpe
mit veränderbarer
Verdrängung,
einen hydraulischen Motor mit einem hydraulischen Kreis, der für eine geeignete,
strömungsmäßige Verbindung
zwischen der Hauptpumpe und dem Motor sorgt, eine innerhalb des
Kreislaufes angeordnete Ladepumpe mit einer Auslassleitung und einen
innerhalb des Kreislaufes befindlichen Ventilblock, der eine Einlassleitung,
die mit der Auslassleitung der Ladepumpe strömungsmäßig verbunden ist, und eine
erste und zweite Auslassleitung, die strömungsmäßig mit dem hydraulischen Kreis
verbunden ist, aufweist. Der Ventilblock umfasst einen Ventilgrundkörper mit
einem mit der Einlassleitung in Verbindung stehenden ersten Kanal,
einem mit der ersten Auslassleitung in Verbindung stehenden zweiten
Kanal, einem mit der zweiten Auslassleitung in Verbindung stehenden
dritten Kanal und einer Ventilschieberbohrung, die mit dem Einlass,
mit der ersten Auslassleitung und mit der zweiten Auslassleitung
strömungsmäßig verbunden ist.
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Der Ventilblock umfasst ferner einen
Ventilschieber, der dazu eingerichtet ist, eine abdichtende Bewegung
innerhalb der Ventilschieberbohrung auszuführen, die einen ersten Endabschnitt,
einen zweiten Endabschnitt und einen Verbindungsabschnitt mit einer
Querschnittsfläche
aufweist, die kleiner ist als jene des ersten und zweiten Endabschnitts.
Der Ventilschieber ist in jedem seiner ersten und zweiten Endabschnitte
mit mindestens einer Öffnung
ausgebildet, die in strömungsmäßiger Verbindung
mit dem Verbindungsabschnitt steht, und der Verbindungsabschnitt
ist zu jedem Zeitpunkt zumindest mit einem Abschnitt des ersten
Kanals strömungsmäßig verbunden.
Der Ventilschieber lässt
sich mittels Fluiddruck innerhalb der Ventilschieberbohrung in Längsrichtung
aus einer Neutralstellung, in der die Fluiddruckkräfte, die
auf den ersten und zweiten Endabschnitt wirken, weitgehend übereinstimmen,
in eine erste Stellung, in der die Fluiddruckkräfte, die auf den ersten Endabschnitt
wirken, größer sind
als die Fluiddruckkräfte,
die auf den zweiten Endabschnitt wirken, oder in eine zweite Stellung,
in der die Fluiddruckkräfte,
die auf den ersten Endabschnitt wirken, kleiner sind als die Fluiddruckkräfte, die
auf den zweiten Endabschnitt wirken, bewegen. Die mindestens eine Öffnung in
jedem der ersten und zweiten Endabschnitte weist einen durch diese
strömenden
Fluidstrom auf, wenn sich der Ventilschieber in der Neutralstellung
befindet, und weist weitgehend keinen Fluidstrom auf, wenn sich
der Ventilschieber entweder in der ersten oder der zweiten Stellung
befindet.
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Der erwähnte Ventilblock umfasst ferner
ein in physikalischem Kontakt mit dem ersten Endabschnitt des Ventilschiebers
stehendes, erstes Rückschlagventil
mit einer vollkommen geöffneten Stellung,
wenn der Verbindungsabschnitt des Ventilschiebers sowohl mit der
Einlassleitung als auch der ersten Auslassleitung strömungsmäßig verbunden ist,
so dass ein Fluidtransfer von der Einlassleitung zu der ersten Auslassleitung
erlaubt ist, wenn sich der Ventilschieber in der zweiten Stellung
befindet, und mit einer geschlossenen Stellung, wenn sich der Ventilschieber
in der ersten Stellung befindet. Der Ventilblock umfasst ferner
ein in physikalischem Kontakt mit dem zweiten Endabschnitt des Ventilschiebers
stehendes, zweites Rückschlagventil,
das eine vollkommen geöffnete
Stellung aufweist, wenn der Verbindungsabschnitt des Ventilschiebers
sowohl mit der Einlassleitung als auch der zweiten Auslassleitung
strömungsmäßig verbunden
ist, so dass ein Fluidtransfer von der Einlassleitung zu der zweiten
Auslassleitung erlaubt ist, wenn sich der Ventilschieber in der
ersten Stellung befindet, und das eine geschlossene Stellung aufweist,
wenn sich der Ventilschieber in der zweiten Stellung befindet.
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Eine weitere Version des erwähnten, hydraulischen
Systems umfasst Ventilschieberöffnungen, die
gleichzeitig zumindest weitgehend gesperrt sind, wenn der Ventilschieber
entweder die erste oder die zweite Stellung erreicht, und gleichzeitig
geöffnet sind,
wenn der Ventilschieber die Neutralstellung erreicht. In dem erwähnten System
ist der erste Kanal gegenüber
dem zweiten und dritten Kanal in Längsrichtung zentriert.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren, das dazu dient, die in einem neutralen
Modus des Betriebes vorhandene Totzone des hydrostatischen Getriebes
zu verbreitern, ohne die Leistung des hydrostatischen Getriebes
in den von dem Neutralmodus abweichenden Betriebszuständen zu
beeinträchtigen,
wobei das hydrostatische Getriebe eine Hauptpumpe mit veränderbarer Verdrängung, einen
hydraulischen Motor, einen hydraulischen Kreis, der für eine geeignete,
strömungsmäßige Verbindung
zwischen der Hauptpumpe und dem Motor sorgt, eine in dem Kreislauf
eingefügte Ladepumpe
mit einer Auslassleitung und einen geeignet mit dem Kreislauf verbundenen
Ventilblock umfasst. Der Ventilblock, der eine Einlassleitung, die in
strömungsmäßiger Verbindung
mit der Auslassleitung der Ladepumpe und eine erste und eine zweite Auslassleitung,
die in strömungsmäßiger Verbindung mit
dem hydraulischen Kreis stehen, aufweist, umfasst ferner einen Ventilkörper mit
einem mit der Einlassleitung verbundenen ersten Kanal, einen mit
der ersten Auslassleitung verbundenen zweiten Kanal und einen mit
der zweiten Auslassleitung verbundenen dritten Kanal. Der Ventilblock
umfasst ferner einen Ventilschieber, der in der Lage ist, sich abgedichtet
in Längsrichtung
innerhalb der Ventilschieberbohrung zu bewegen, mit einem ersten
Endabschnitt, einem zweiten Endabschnitt und einem Verbindungsabschnitt
mit einer Querschnittsfläche,
die kleiner ist als jene des ersten und zweiten Abschnitts. Dämpfungseinrichtungen
zentrieren den Ventilschieber in eine Neutralstellung des Betriebes.
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Das Verfahren umfasst: Vorsehen einer
ersten Umgehungsöffnung
innerhalb des Ventilschiebers, die sich zwischen dem ersten Endabschnitt
und dem Verbindungsabschnitt erstreckt; Vorsehen einer zweiten Umgehungsöffnung innerhalb
des Ventilschiebers, die sich zwischen dem zweiten Endabschnitt
und dem Verbindungsabschnitt erstreckt; Aufrechterhalten der strömungsmäßigen Verbindung des
Verbindungsabschnitts mit dem ersten Kanal zu jedem Zeitpunkt; Erlauben
eines weitgehend übereinstimmenden
Fluidstroms aus dem ersten Kanal, über die ersten und zweiten
Umgehungsöffnungen, hin
zu den ersten bzw. zweiten Auslasskanälen in dem neutralen Modus
des Betriebes, wenn die auf die ersten und zweiten Endabschnitte
wirkenden Fluiddruckkräfte
etwa gleich sind, und Schieben des Ventilschiebers aus dem neutralen
Modus des Betriebes in den von der Neutralstellung abweichenden Betriebsmodus,
in dem die auf den ersten und zweiten Endabschnitt wirkenden Fluiddruckkräfte ungleich
sind, um dadurch den Fluidstrom über
die erste und zweite Umgehungsöffnung
zumindest weitgehend zu sperren und gleichzeitig Fluidströme von der Einlassleitung
zu einem der ersten und zweiten Auslasskanäle zu erlauben.
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Das erwähnte Verfahren umfasst ferner
ein Positionieren des Ventilschiebers in einer ersten Stellung,
in welcher der Druck in der ersten Auslassleitung größer ist
als der Druck in der zweiten Auslassleitung und in der Fluid von
der Einlassleitung zu der zweiten Auslassleitung strömt, oder
ein Positionieren des Ventilschiebers in eine zweite Stellung, in
welcher der Druck in der ersten Auslassleitung geringer ist als
der Druck in der zweiten Auslassleitung und in der Fluid von der
Einlassleitung zu der ersten Auslassleitung strömt. Das erwähnte Verfahren umfasst ferner
ein Verhindern von Kavitation in dem Hydraulikkreislauf, wenn das
Fluid von der Einlassleitung entweder zu dem ersten oder zu dem
zweiten Auslasskanal strömt.
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Die Erfindung wird schematisch anhand
der beigefügten
Zeichnungen durch Beispiele veranschaulicht:
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1 zeigt
ein hydraulisches Schema eines typischen geschlossenen Kreislaufes
für ein
hydrostatisches Getriebe aus dem Stand der Technik.
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2 zeigt
ein hydraulisches Schema eines typischen geschlossenen Kreislaufes
für ein
hydrostatisches Getriebe aus dem Stand der Technik mit einer zwischen
beiden Seiten der Regelschleife eingefügten, unveränderlichen Umgehungsöffnung,
sowie in der Alternative mit unveränderlichen Öffnungen, die in sonstige hydraulische
Komponenten des hydrostatischen Getriebes integriert sind.
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3 zeigt
ein hydraulisches Schema eines speziellen Ventilblocks der vorliegenden
Erfindung mit einem Umsteuerschieber und einer Umgehungsöffnung.
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4 zeigt
in einem hydraulischen Schema ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, das einen geschlossenen Kreislauf für ein hydrostatisches Getriebe
mit einem speziellen Ventilblock darstellt, der zwei Rückschlagventile,
zwei Umgehungsöffnungen
und einen Umsteuerschieber aufweist.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht des tatsächlichen Aufbaus des in 4 schematisch gezeigten,
speziellen Ventilblocks.
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5a zeigt
in einer vergrößerten Ansicht des
in 5 definierten, elliptischen
Gebiets die beiden Rückschlagventile,
die beiden Umgehungsöffnungen
und den Umsteuerschieber detaillierter.
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5b zeigt
eine Draufsicht des Ventilschiebers eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
in einer der Ansicht in 5 im Wesentlichen ähnelnden
Querschnittsansicht den speziellen Ventilblock in seiner Neutralstellung,
in welcher der Fluiddruck in Leitungen 23 und 24 annähernd gleich
ist.
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6a zeigt
eine Querschnittsansicht des speziellen Ventilblocks nach 6 in der Stellung, in welcher
der Fluiddruck in der Leitung 23 den Fluiddruck in der
Leitung 24 übertrifft.
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6b zeigt
eine Querschnittsansicht des speziellen Ventilblocks nach 6, dargestellt in der Stellung,
in welcher der Druck in der Leitung 24 den Druck in der
Leitung 23 übertrifft.
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7 zeigt
ein hydraulisches Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung, das einen geschlossenen Kreislauf für ein hydrostatisches Getriebe
mit einem Wechselventil nach der Schieberbauart mit integrierten
Umgehungsöffnungen
zeigt.
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht des tatsächlichen Aufbaus des schematisch
in 7 gezeigten Wechselventils
der Schieberbauart.
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8a zeigt
in einer vergrößerten Ansicht des
elliptischen Gebiets in 8 die
Neutralstellung des Schieber-Wechselventils mit integrierten Öffnungen
und Federn an beiden Enden des Schiebers.
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8b zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie in 8a, jedoch
ist hier das Schieber-Wechselventil in der Stellung gezeigt, in
welcher der Fluiddruck in der Leitung 23 den Fluiddruck
in der Leitung 24 überschreitet.
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8c zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie in 8a, jedoch
ist hier das Wechselventil in der Stellung gezeigt, in welcher der
Fluiddruck in der Leitung 24 den Fluiddruck in der Leitung 23 überschreitet.
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9 zeigt
ein hydraulisches Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung, das einen geschlossenen Kreislauf für ein hydrostatisches Getriebe
mit einem Heißölwechselventil
mit integrierten Umgehungsöffnungen
veranschaulicht.
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10 zeigt
in einer elliptischen Querschnittsansicht des tatsächlichen
Aufbaus des in 9 schematisch
veranschaulichten Heißölwechselventils
das Heißölwechselventil
mit integrierten Öffnungen
und Federn an beiden Enden des Ventils in einer Neutralstellung.
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10a zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 10, jedoch
ist hier das Wechselventil in der Stellung gezeigt, in welcher der
Fluiddruck in der Leitung 23 größer ist als der Fluiddruck
in der Leitung 24.
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10b zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 10, jedoch
ist hier das Wechselventil in der Stellung gezeigt, in welcher der
Fluiddruck in der Leitung 24 größer ist als der Fluiddruck
in der Leitung 23.
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11 stellt
in einem Graph die Wirkungsgrade einer 10-CC-Pumpe dar, die als
Teil des geschlossenen Kreislaufs eine herkömmliche Umgehungsöffnung verwendet.
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12 stellt
in einem Graph die Wirkungsgrade einer 10-CC-Pumpe dar, die als
Teil des geschlossenen Kreislaufs den speziellen Ventilblock dieser
Erfindung verwendet, wie er in 4, 5 und 6 veranschaulicht ist.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines typischen, geschlossenen Kreislaufs 10 aus dem
Stand der Technik für
ein hydrostatisches Getriebe, der eine Hauptpumpe mit veränderlicher
Verdrängung 12 und
einen hydraulischen Motor, beispielsweise einen Motor 14 mit
unveränderbarer
Verdrängung,
aufweist, die durch die Leitungen 23 und
24 miteinander
verbunden sind. Die Pumpe 12 kann eine Übertotpunkt-Axialkolbenpumpe oder eine Kolbenpumpe
mit gekrümmter
Achse sein. Mit einer Übertotpunkt-Axialkolbenpumpe
mit veränderbarer Verdrängung bestimmt
sich die Verdrängung
der Pumpe aus der Abmessung und Anzahl der Kolben sowie der Hublänge. Eine
Eingangswelle 11 der Pumpe 12 wird durch einen
(nicht gezeigten) Primärantrieb,
z.B. einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor, mit einer
gegebenen Geschwindigkeit in einer gegebenen Richtung angetrieben.
Obwohl die Abmessung und Anzahl der Kolben unveränderlich sind, lässt sich
die Verdrängung
der Pumpe durch ein Ändern
des Kolbenhubs variieren. Die Hublänge ergibt sich aus dem Winkel
der Taumelscheibe der Pumpe 12, die sich durch eine beliebige,
entsprechende Hubsteuerungseinrichtung beispielsweise einen (nicht
gezeigten) Zapfenschaft neigen lässt.
Der Zapfenschaft ist über
ein in der Maschine eingebautes Gestänge mit einem Steuergriff verbunden.
Wenn eine Bedienperson den Griff nach vorne schiebt, fördert die
Pumpe 12 einen Fluidstrom für den Betrieb eines Motors 14 in
der einen Richtung. Ein Verändern der
Verdrängung
der Pumpe 12 ändert
deren Fluidausstoßrate,
wodurch wiederum die Geschwindigkeit des Motors 14 gesteuert
wird. Ein Bewegen der (nicht gezeigten) Taumelscheibe oder Gabel
der Pumpe 12 über
den Totpunkt hinaus kehrt automatisch den Ausstoß aus der Pumpe 12 und
somit die Laufrichtung des Motors 14 um. Abhängig von
der Richtung der über
den Totpunkt hinaus ausgeführten
Bewegung der Taumelscheibe (oder Gabel) der Pumpe kann die Leitung 23 (oder
die Leitung 24) eine Hochdruckzufuhrleitung oder eine Niederdruckrückführleitung sein.
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Eine ebenfalls über die Eingangswelle 11 angetriebene
Ladepumpe 16 führt
dem geschlossenen Kreislauf 10 zusätzliches Hydraulikfluid zu,
und zwar etwa 10–30%
der Fördermenge,
welche die Hauptpumpe 12 in der Lage ist zu liefern. Die
Ladepumpe 16 saugt aus einem Behälter 13 Fluid an,
das durch einen Filter 15 geleitet werden kann, und führt dieses Fluid
mittels einseitig wirkender Rückschlagventile 18 und 19 über eine
Leitung 17 dem geschlossenen Kreislauf 10 zu,
um einen aufgrund von inneren Undichtigkeiten eventuell auftretenden
Fluidverlust auszugleichen. Die Ladepumpe 16 sorgt ferner
während des
Betriebs der Hauptpumpe l2 für einen kontinuierlichen Fluidstrom
zur Kühlung
der Hauptpumpe 12 über
eine eine Kühlungsöffnung 21 aufweisende
Leitung. Ein Ladepumpen-Entlastungsventil 22 dient dazu,
einen Entlastungspfad hin zu dem Behälter 13 bereitzustellen,
falls eine die erforderliche Fördermenge überschreitende
Fördermenge
aus der Ladepumpe 16 nicht in den geschlossenen Kreislauf 10 eintreten kann,
und regelt außerdem
den Druck der Niederdruckseite des geschlossenen Kreislaufs 10.
Entlastungsventile 26 und 27 sind zwischen den
Leitungen 23 und 24 positioniert und schützen jede
Leitung während
des Betriebs vor Drucküberlastung.
Das Ventil 26 sorgt für
eine Entlastung der Leitung 23, und das Ventil 27 sorgt
für eine
Entlastung der Leitung 24.
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In gewissen Anwendungen weist der
geschlossene Kreislauf 10 ferner ein Umgehungsventil 29 auf,
das zwischen den Leitungen 23 und 24 positioniert
ist, um Öl
von einer Leitung zur anderen zu übertragen. Die Verwendung des
Umgehungsventils 29 ermöglicht
es dem Motor 14 im Bedarfsfall, mit geringem Widerstand
die Richtung zu ändern,
beispielsweise um eine Maschine eine kurze Strecke ohne Betätigung des
Getriebes zu bewegen. In gewissen Anwendungen ist wiederum ein Heißölwechselventil 31 vorgesehen,
um die Schleifentemperatur zu reduzieren, indem die Niederdruckseite
des geschlossenen Kreislaufs 10 strömungsmäßig mit einer Ablassleitung
verbunden wird. Dieses Ventil erlaubt einem gewissen Prozentsatz
des heißen Öls, den Motor 14 zu
verlassen, um zurück
zu dem Behälter 13 zu
strömen,
wo es gekühlt
und gefiltert wird, und ersetzt das entlassene, heiße Öl durch
gekühltes,
gefiltertes Öl
aus der Ladepumpe 16. Eine Leitung 32 verbindet
ein Vorwärts/Rückwärts-Ladedruck-Entlastungsventil 33 mit
dem Heißölwechselventil 31,
um für
einen niedrigeren Widerstand auf der Niederdruckseite des geschlossenen
Kreislaufs 10 zu sorgen. Das Entlastungsventil 33 sorgt
für die
Aufrechterhaltung eines gewissen Fluiddruckwertes auf der Niederdruckseite
des Kreislaufs 10. Da das Ladepumpen-Entlastungsventil 22 parallel
zu dem Entlastungsventil 33 geschaltet ist, sollte das
Ladepumpen-Entlastungsventil 22 auf einen Druck eingestellt sein,
der höher
ist als derjenige des Entlastungsventils 33. Wenn sich
das Getriebe in der Neutralstellung befindet und das Heißölwechselventil 31 zentriert
ist, wird der Ladepumpenfluidstrom über das Entlastungsventil 22 entlastet.
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Um ein rauhes, ruckartiges Anlaufen
der Maschine (in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung)
zu vermeiden, kann eine in 2 gezeigte
und zwischen den Hoch- und Niederdruckseiten des Kreislaufs 10 eingefügte, unveränderliche Öffnung 35a verwendet
werden, um die Breite der Totzone des hydrostatischen Getriebes
zu vergrößern. Die
Totzone eines hydrostatischen Getriebes lässt sich definieren als der
Bereich des Nichtansprechens des Getriebes in der Nähe seiner
Neutralstellung, in welcher der Motor 14 aufgrund von internen
Querkanalundichtigkeiten des Getriebes bei sehr geringem Fluidstrom, nahe
der neutralen Stellung der Taumelscheibe nicht gedreht wird. Ein
Hinzufügen
einer Öffnung,
z.B. einer Öffnung 35a,
schafft einen Umgehungsströmungskanal
in der Regelschleife. Ein Erweitern der Totzone des Getriebes ermöglicht es,
die Maschine aus einer ursprünglichen
Neutralstellung des Getriebes heraus sanft anlaufen zu lassen. Die
Abmessung der Öffnung 35a ist
maßgebend,
und der optimale Durchmesser wird im Allgemeinen durch sorgfältiges Beobachten
der Änderung
von Beschickungseffekten der Maschine, die mit dem Verändern des Öffnungsdurchmessers
einher gehen, ermittelt. Gewöhnlich
liegt der Durchmesser der Öffnung
in dem Bereich zwischen 0,5 und 1,0 mm. Zwei unveränderliche Öffnungen 35b können ferner,
wie auch in 2 gezeigt,
in anderen hydraulischen Komponenten des hydrostatischen Getriebes
integriert sein. Beispielsweise sind anstatt einer Verwendung der zuvor
beschriebenen eingefügten,
unveränderlichen Öffnung 35a unveränderliche Öffnungen 35b in
den Systemrückschlagventilen 18 und 19 integriert.
Falls gewünscht,
sind unveränderliche Öffnungen 35c in den
Hochdruckbegrenzungsventilen 26 und 27 integriert . Außerdem
kann eine unveränderliche Öffnung 35d in
dem Umgehungsventil 29 integriert werden. Schließlich kann
eine unveränderliche Öffnung 35e in dem
Heißölwechselventil 31 integriert
werden.
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Obwohl hydrostatische Getriebe mit
den erwähnten,
unveränderlichen Öffnungen 35a bis 35e, wie
sie in 2 gezeigt sind,
dazu beitragen, dass eine Maschine nahe der Neutralstellung ebenmäßig betrieben
werden kann, sind einige Nachteile in Kauf zu nehmen. Die Verwendung
einer oder mehrerer unveränderlicher Öffnungen 35a bis 35e ermöglicht einen
Strömungspfad
von der Hochdruckseite hin zu der Niederdruckseite des geschlossenen
Kreislaufs 10 in sämtlichen
Phasen des Getriebebetriebs. Eine unveränderliche Öffnung 35a bis 35e verbessert zwar
den ebenmäßigen Betrieb
in der Nähe
der Neutralstellung des hydrostatischen Getriebes, beeinträchtigt aber
den Betrieb, wenn sich das Getriebe nicht in der Neutralstellung
befindet, indem ein gewisser Fluidstrom auch nach dem Anlaufen der
Maschine strömen
kann. Die in diesem Fall unerwünschte Querkanalundichtigkeit
reduziert den Gesamtwirkungsgrad des hydrostatischen Getriebes,
da die effektive Kapazität
der Fluidfördermenge
der Pumpe 12 vermindert wird. Die Querkanalundichtigkeit
erzeugt außerdem
spürbar
Wärme,
welche die ungünstige
Wirkung eines Anstiegs der Betriebstemperatur des geschlossenen
Kreislaufs 10 nach sich zieht. Die überhöhte Betriebstemperatur stellt
nicht nur ein Sicherheitsproblem für Bedienpersonen der Maschine dar,
sondern reduziert auch die Lebensdauer der Maschine. Ein Hinzufügen einer
zusätzlichen Ölkühlvorrichtung
steigert sowohl die Kosten der Maschine auch deren Komplexität und schafft
unter Umständen Probleme
durch Beschränkung
des zur Verfügung stehenden
Raums und der Unterbringung.
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Es ist daher erwünscht, dass eine Öffnung ihre "QuerkanalBypass"-Funktion lediglich nahe der neutralen
oder Totzonenstellung des hydrostatischen Getriebes zur Verfügung stellt
und danach, während des
fortlaufenden Betriebs der Maschine in einer von der neutralen oder
Totzonenstellung abweichenden Stellung, gesperrt ist. 3 zeigt eine schematische Darstellung
eines speziellen Ventilblocks 37, der einen Umsteuerschieber 38 mit
einer Öffnung 35 aufweist.
Eine Bewegung des Umsteuerschiebers 38 aus seiner neutralen
oder mittigen Stellung sperrt die Öffnung 35. Dieses
Sperren der Öffnung
erfolgt während
des normalen Betriebs des hydrostatischen Getriebes und erhöht den Wirkungsgrad
des Getriebes erheblich und führt
zu einer wesentlichen Reduzierung der Arbeits- oder Betriebstemperatur
des geschlossenen Kreislaufs 10.
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4 zeigt
ein Schema eines geschlossenen Kreislaufs für ein hydrostatisches Getriebe 10a mit
einem integrierten, speziellen Ventilblock 40. Der Bauelementeaufwand
des Kreislaufs 10a ähnelt
jenem des oben erwähnten,
geschlossenen Kreislaufs 10 in 1, mit dem Unterschied, dass anstelle
der Rückschlagventile 18 und 19 des
Letzteren ein spezieller Ventilblock 40 hinzugefügt ist.
Die Bezugszeichen der übrigen
Bauelemente stimmen daher in 4 mit
jenen in
1 überein.
Der Ventilblock 40 weist zwei Rückschlagventile 41 und 42,
zwei Öffnungen 43 und 44 sowie
einen Umsteuerschieber 45 auf. Im Betrieb füllt eine
Ladepumpe 16, während
das System in seiner Neutralstellung betrieben wird, über die Öffnungen 43 und 44 beide
Seiten der Schleife mit Hydraulikfluid. Eine durch eine Betätigung der Steuerung
durch eine Bedienperson hervorgerufene, geringe Bewegung der Taumelscheibe
führt dazu, dass
eine Hauptpumpe 12 Fluid in die entsprechende Seite der
Schleife pumpt. Ein Motor 14 wird dennoch nicht in Drehung
versetzt, wenn dieser Strom so gering ist, dass er den Motor 14 über die Öffnungen 43 und 44 und
sonstige interne Undichtig- keitspfade in dem System umgeht, ohne
einen wirksamen Druck aufzubauen. In dem Maße, wie die Bedienperson die Erhöhung des
Taumelscheibenwinkels fortsetzt, wird der erhöhte Fluiddruck beginnen, den
Motor 14 in Drehung zu versetzen. An diesem Punkt verschiebt sich
der Umsteuerschieber 45, so dass die Öffnungen 43 und 44 gesperrt
sind, und das passende Niederdruckrückschlagventil, nämlich entweder 41 oder 42,
wird geöffnet.
Die Ladepumpe 16 füllt
anschließend
die Regelschleife auf der Niederdruckseite über das offene Rückschlagventil 41 oder 42 fortlaufend mit
Fluid auf und gleicht auf diese Weise innere Undichtigkeiten in
der gesamten Regelschleife aus. Eine Zufuhr von Fluid zu der Niederdruckseite
verhindert außerdem
Kavitation, zu der es an dem Pumpeneinlass aufgrund von mangelndem
Fluiddruck kommen kann.
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5 und 5a zeigen den tatsächlichen
Aufbau eines in 4 schematisch
gezeigten Ventilblocks 40 mit Öffnungen 43 und 44,
die sich nach dem Anlaufen des Motors sperren lassen. Der Ventilblock 40 umfasst
einen im Einzelnen in 5b gezeigten
Ventilschieber 47, der zwei gegenüberliegende, im Wesentlichen
zylindrische Endabschnitte 48 und 49 mit mindestens
einer, jedoch vorzugsweise mehreren, in den Endabschnitten 48 und 49 gleichmäßig beabstandeten Öffnungen 43 bzw. 44 aufweist.
Die Öffnungen 43 und 44,
die eine beliebige, gewünschte
Gestalt aufweisen können,
sind in 5b als im Allgemeinen
mit dreieckigem Querschnitt ausgebildet veranschaulicht und in einem
peripheren Randbereich an dem äußersten
Rand der Endabschnitte 48 und 49 angeordnet. In ähnlicher Weise
können Öffnungen 43, 44 an
anderen Stellen an den Endabschnitten 48, 49 angeordnet
werden, wenn nur die sperrende Funktion auftritt. Der Ventilschieber 47,
dessen Endabschnitte 48, 49 ebenfalls eingezogene
Abschnitte 48a bzw. 49a enthalten, sind über einen
mittleren Säulenabschnitt 46 mit
einer kleineren Querschnittsfläche
mit dem Ventilschieber 47 verbunden, der zwischen gegenüberliegenden, federbelasteten
Rückschlagventilen 41 und 42 eingefügt ist,
wie am besten in 5a zu
sehen. Falls gewünscht,
können
sich die Öffnungen 43 und 44 über die
gesamten Länge
der Endabschnitte 48 und 49 des Ventilschiebers
erstrecken. Der Aufbau der Rückschlagventile 41 und 42 ist
einfach und kostengünstig
und erlaubt die Verwendung wirtschaftlicher, sphärischer Elemente oder Kugeln 41a und 42a als Rückschlagventilteller.
Die Verwendung von Kugeln 41a und 42a aus Stahl
erhöht
die Zuverlässigkeit
des Abdichtens der Rückschlagkugeln
und verringert die Kosten der Herstellung des Ventilsitzes im Vergleich zu
sonstigen Arten von Ventiltellern.
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6, 6a und 6b veranschaulichen sämtliche drei Arbeitsstellungen
des Ventilblocks 40, in denen das hydrostatische Getriebe
betrieben wird. Eine Stellung 50 in 6 zeigt den Ventilblock 40 in
einer Neutralstellung, d. h., wenn eine (nicht gezeigte) Ladepumpe 16 einem
(nicht gezeigten) Einlasskanal des Ventilblocks 40 ein
Fluid mit niedrigem Druck über
eine Leitung 17 zuführt.
Aufgrund der Tatsache, dass der Ventilschieber 47 in seiner
zugeordneten Bohrung 47a mittig angeordnet ist, ist er
in der Lage, beide Rückschlagventilkugeln 41a und
42a von
deren entsprechenden Sitzen 54 und 55 zu rücken und ermöglicht in
dem Ventilblock 40 durch beide Öffnungen 43 und 44 einen ähnlichen
Fluidstrom in die Leitungen 23 bzw. 24, die mit
nicht gezeigten Auslasskanälen
verbunden sind. In dieser Stellung ist der Fluiddruck in den Leitungen 23 und 24 in
etwa gleich.
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Eine Stellung 51 in 6a zeigt den Ventilblock 40 in
einer von der Neutralstellung abweichenden Stellung, in welcher
der Fluiddruck in der Leitung 23 höher ist als in der Leitung 24.
Aufgrund dieses Druckunterschiedes drückt der Ventilschieber 47,
die Rückschlagventilkugel 42a vollständig von
ihrem zugeordneten Sitz 55, während die Feder in dem Rückschlagventil 41 die
Kugel 41a in den vollständig
abdichtenden Eingriff mit deren zugeordneten Ventilsitz 54 drückt. Da
die Bewegung des Ventilschiebers 47 das Rückschlagventil 42 öffnet, entsteht
in dem System kein Energieverlust, der durch den zum Öffnen des
Rückschlagventils 42 normalerweise
erforderlichen Druck verursacht wird. Da das Rückschlagventil 42 vollkommen
geöffnet
ist, wird der Energieverlust in dem System erheblich gesenkt. Ein
Fluidstrom aus der Leitung 17 gelangt über den eingezogenen Abschnitt 49a des
Schiebers 47 und strömt
an dem zylindrischen Abschnitt 49 des Schiebers und an
dem Ventilsitz 55 des geöffneten Rückschlagventils 42 vorbei
in die Leitung 24. Dieser Fluidstrom ist erforderlich,
da er dem Auffüllen
von Fluid dient, das eventuell aufgrund von inneren Undichtigkeiten
verloren ging. Ein kontinuierlicher Fluidstrom durch eine Niederdruckleitung 24 stellt
sicher, dass keine Kavitation an dem Pumpeneinlass auftritt. Ein
eventuell auftretender Fluidstrom in Richtung der Leitungen 23 mit höherem Druck
wird durch das geschlossene Rückschlagventil 41 verhindert,
und zwar durch die Kugel 41a, die sich abdichtend im Eingriff
mit dem Ventilsitz 54 befindet. Während sich der Schieber 47 in
der Stellung 51 befindet, ist die Ladepumpe 16 in
der Lage, den geschlossenen Kreislauf 10 auf der Niederdruckseite
(nämlich
die Leitung 24) fortlaufend unter Druck zu setzen. Ein
Fluidstrom aus der Hochdruckleitung 23 kann das Rückschlagventil 41 nicht
passieren und sperrt demzufolge die Öffnungen 43 in dieser Richtung
ebenso.
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Eine Stellung 52 in 6b zeigt den Ventilblock 40 in
einer von der Neutralstellung abweichenden Stellung, in welcher
der Fluiddruck in der Leitung 24 größer ist als in der Leitung 23.
Aufgrund dieses Druckunterschieds drückt der Ventilschieber 47 die Rückschlagventilkugel 41a vollkommen
von dem Sitz 54, während
die Feder in dem Rückschlagventil 42 die
Kugel 42a gegen den Ventilsitz 55 drückt. Als
Folge hiervon strömt
Druckfluid aus der Leitung 17 durch den weit geöffneten,
eingezogenen Abschnitt 48a und weiter in die Leitung 23.
Jeder Strom aus der Leitung 17 in Richtung der Leitung 24 wird
durch das Rückschlagventil 42 verhindert,
das sich in abdichtendem Eingriff mit dem Ventilsitz 55 befindet.
Ebenso kann kein Strom aus der Hochdruckleitung 24 das Rückschlagventil 42 passieren
und dadurch die Öffnungen 44 sperren.
Während
sich der Schieber 47 in der Stellung 52 befindet,
setzt die Ladepumpe 16 die Niederdruckseite (nämlich die
Leitung 23) des geschlossenen Kreislaufs fortlaufend unter
Druck.
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7, 8, 8a-c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Ventil 60, das eine ähnliche
Funktion erfüllt,
wie dasjenige des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. Anders als
im Falle des vorherigen Ausführungsbeispiels,
bei dem in dem Ventilblock 40 zwei Rückschlagventile 41 und 42 verwendet
werden, ist das Ventil 60 dieses Ausführungsbeispiels in Form eines
Wechselventils der Schieberbauart konstruiert, mit einem Schieber 61,
der sich innerhalb einer Bohrung 61a abgedichtet hin- und
her bewegen lässt, und
mit integrierten Öffnungen 64 und 65,
von denen jede ein aufnehmendes Ende aufweist, das mit einem mittigen
Schiebermittelabschnitt 66, der einen kleineren Querschnitt
aufweist, ständig
in strömungsmäßiger Verbindung
steht. Ähnlich
wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet das Ventil 60 an
dessen entgegengesetzten Enden Federn 62 und 63,
die Kompressionsfedern sein können.
Wie im Falle des zuvor beschriebenen Ventilblocks 40, stellt
das Ventil 60 die strömungsmäßige Verbindung
der Hoch- und Niederdruckseiten des geschlossenen Kreislaufs mit
der Ladepumpe 16 her. Bei sehr geringem Fluidstrom, in
der Nähe
der Neutralstellung des hydrostatischen Getriebes, wie durch eine
Stellung 67 in 8a dargestellt,
stellt ein Entweichen über
die Öffnungen 64 und 65,
deren Auslassenden in dieser Stellung in strömungsmäßiger Verbindung mit den Leitungen 23 bzw. 24 stehen,
sicher, dass beide Leitungen 23, 24 in gleichem
Maße unter
Druck gesetzt werden. Die Stellung 67 zeigt das Ventil 60 in
einer Neutralstellung, in der die (nicht gezeigte) Ladepumpe 16 über eine
Leitung 17, die mit einem Einlasskanal 70 in dem
Ventilblock 40 verbunden ist, unter niedrigem Druck stehendes
Fluid zuführt.
Dieses Niederdruckfluid wird über
die Leitungen 23 und 24, die in dem Ventilblock 40 mit
Auslasskanälen 71 bzw. 72 verbunden
sind, beiden Seiten der Regelschleife zugeführt, um die Schleife unter Druck
zu setzen. Der mittig positionierte Schieber 61 bringt
beide Öffnungen 64 und 65 in
eine solche Stellung, dass deren Auslassenden mit den Leitungen 23 bzw. 24 fluchten.
In dieser Stellung stimmen die Fluiddrücke in den Leitungen 23 und 24 im
Wesentlichen überein.
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Wenn die Bedienperson den (nicht
gezeigten) Steuergriff aus der in 8a gezeigten
Neutralstellung 67 drückt/zieht,
erhöht
der stärkere
Fluidstrom aus der Hauptpumpe 12 den Druckunterschied an
dem Ventil 60, wodurch dieses zum Umschalten veranlasst
wird und dabei beide Öffnungen 64 und 65 sperrt,
indem deren Auslassenden von der strömungsmäßigen Verbindung mit den Leitungen 23 bzw. 24 weg
bewegt werden. In einer von der Neutralstellung abweichenden Stellung 68 in 8b, in welcher der Fluiddruck
in der Leitung 23 größer ist
als in der Leitung 24, ist der Schieber 61 gezeigt,
wie er gegen die Niederdruckleitung 24 vorgespannt ist. Wie
dargestellt, sind beide Öffnungen 64 und 65 in
einer an der Wand der Ventilbohrung 61a anliegenden Stellung
gesperrt; die Feder 63 ist zusammengedrückt, und die strömungsmäßige Verbindung
der Leitung 17 mit der Leitung 24 kann aufgrund
der Konstruktion des Schiebers 61 wegen des Einsatzes eines
Schiebermittelabschnitt 66 mit einer kleineren Querschnittsfläche noch
weiter bestehen. Ein Fluidstrom aus Leitung 17 gelangt
dann durch den Schiebermittelabschnitt 66 und strömt in die
Niederdruckleitung 24. Während der Schieber 61 sich
in der Stellung 68 befindet, ist die Ladepumpe 16 in
der Lage, den geschlossenen Kreislauf auf der Niederdruckseite fortlaufend
unter Druck zu setzen und somit den Kreislauf mit Fluid aufzufüllen, das
möglicherweise aufgrund
von inneren Undichtigkeiten verloren ging. Wie zuvor erwähnt, stellt
der Schiebermittelabschnitt 66 eine breite Öffnung für den Fluidstrom
in Richtung der Niederdruckleitung 24 zur Verfügung und
ermöglicht
dadurch einen reichlichen Fluidstrom in die Leitung 24,
um jeden Energieverlust zu minimieren. Der Abstand zwischen dem
Auslassende der Öffnung 65 und
dem Schiebermittelabschnitt 66 ist weitgehend gleich dem
Durchmesser des Kanals 72. Demzufolge kommt es zu keiner
Unterbrechung des Fluidstroms zu der Leitung 24, wenn das
Ventil 60 in diese Richtung umschaltet. Das Fluid strömt dann
während
dieses Übergangs
aus der Öffnung 65 und
anschließend aus
dem Schiebermittelabschnitt 66.
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Wenn die Bedienperson den (nicht
gezeigten) Steuergriff aus der in 8a gezeigten
Neutralstellung 67 in die gegenüber der in 8b gezeigten Stellung 68 entgegengesetzte
Richtung drückt/zieht, führt der
Druckunterschied in den Leitungen 23-24 dazu, dass das
Ventil 60 in Richtung der Leitung 23 schaltet,
die nun die Niederdruckleitung wird. Eine Stellung 69 in 8c zeigt das Ventil 60 in
einer Stellung, in welcher der Fluiddruck in der Leitung 24 größer ist
als in der Leitung 23. Beide integrierten Öffnungen 64 und 65 sind
in einer an der Wand der Ventilbohrung 61a anliegenden
Stellung wieder gesperrt; die Feder 62 ist zusammengedrückt, und
die strömungsmäßige Verbindung
der Leitung 17 mit der Leitung 23 besteht über den
Schiebermittelabschnitt 66. Das Fluid aus der Leitung 17 kann
daher lediglich über
den Schiebermittelabschnitt 66 in die Niederdruckleitung 23 strömen. Wie
zuvor festgestellt, ist nun jeglicher Fluidstrom von dem Schieber 61 zu
der Leitung 24 aufgrund der Konstruktion gesperrt. Während sich
der Schieber 61 in der Stellung 69 befindet, setzt
die Ladepumpe 16 fortlaufend die Niederdruckseite (nämlich die
Leitung 23) des geschlossenen Kreislaufs unter Druck, um
Energieverlust zu minimieren. Der Abstand zwischen dem Auslassende
der Öffnung 64 und
dem Schiebermittelabschnitt 66 ist weitgehend gleich dem
Durchmesser des Kanals 71 in Ventilblock 40. Demzufolge
kommt es zu keiner Unterbrechung des Fluidstroms zu der Leitung 23, wenn
das Ventil in diese Richtung umschaltet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
ist schematisch in 9 gezeigt,
bei der ein Heißölwechselventil 73,
das dem zuvor erwähnten Heißölwechselventil 31 nach 1 ähnelt, in diesem Fall integrierte Öffnungen 75 und 76 verwendet.
Die Konstruktion und Funktion des Ventils 73 entspricht im
Wesentlichen dem zuvor beschriebenen Ventil 60, mit dem
Unterschied, dass die Anschlussleitungen umgekehrt sind. Während das
Ventil 60 in 8 eine Einlassleitung 17 und
zwei Auslassleitungen 23, 24, verwendet, setzt
das Ventil 73 in 10 beide
Leitungen 23 und 24 für den Einlassstrom ein, während die
Leitung 32 die einzige Auslassleitung, oder Leitung die
einen Auslass ins Freie schafft umfasst, die in Verbindung mit dem
Entlastungsventil 33 steht. Die Leitungen 23 und 24 sind
in dem Ventilkörper
mit Einlasskanälen 87 bzw. 88 verbunden,
während
die Leitung 32 mit einem Auslasskanal 89 in dem
Ventilkörper
verbunden ist. Eine Stellung 80 zeigt die tatsächliche
Konstruktion und Stellung des Ventils 73 während des
geringen Fluidstroms aus der Ladepumpe 16, wenn die Fluiddrücke in den
Leitungen 23 und 24 annähernd gleich sind. Ein Ventilschieber 61 ist
zentriert, so dass die aufnehmenden oder Einlassenden der Öffnungen 75 und 76 mit
den Leitungen 23 bzw. 24 fluchten.
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Wenn die Bedienperson die Hubsteuerungseinrichtung
in eine der Richtungen aktiviert, um ein Drehen des Motors 14 einzuleiten,
pumpt die Hauptpumpe 12 gemäß 10a Fluid in die entsprechende Seite
der Schleife, und zwar entweder in die Leitung 23 oder 24.
Wenn der erhöhte
Fluiddruck einen gegebenen oder eingestellten Wert erreicht, der
ausreicht, um den Motor 14 in Drehung zu versetzen, schaltet
das Ventil 73, wie gezeigt, in eine von der Neutralstellung
abweichende Stellung 81 um, so dass die Öffnungen 75 und 76 geschlossen
oder in einer an der Wand der Ventilbohrung 61a anliegenden
Stellung gesperrt werden und Fluid durch die Niederdruckleitung 24 strömen kann.
Die Ladepumpe 16 setzt anschließend die Regelschleife über die Leitung 24 auf
der Niederdruckseite fortlaufend unter Druck. Das durch die Niederdruckleitung 24 strömende Fluid
sorgt dafür,
dass keine Kavitation in dem hydrostatischen Getriebesystem auftritt.
Der Abstand zwischen dem Einlassende der Öffnung 76 und einem
Mittelabschnitt 77 in dem Ventil 73 ist im Wesentlichen
gleich dem Durchmesser des Kanals 88. Demzufolge kommt
es zu keiner Unterbrechung des Fluidstroms aus der Leitung 24,
wenn das Ventil 73 in diese Richtung umschaltet. Das Fluid
strömt
dann während
dieses Übergangs
aus der Leitung 24 zu der Öffnung 76 und anschließend zu
dem Mittelabschnitt 77.
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Wenn die Bedienperson die Richtung
der Bewegung des Steuergriffs wechselt, ändert die Hauptpumpe 12 gemäß 10b die Richtung des Fluidstroms.
Wenn der Druckunterschied zwischen den Leitungen 23 und 24 einen
vorgegebenen Wert erreicht, gelangt das Ventil 73 in eine
Stellung 82. In der Stellung 82 ist der Fluiddruck
in der Leitung 24 größer als
in der Leitung 23 und spannt daher den Schieber 61 gegen
die Niederdruckleitung 23 vor. Wie im Falle der Stellung 81 (10a) sind beide Öffnungen 75 und 76 in
einer an der Wand der Ventilbohrung 61a anliegenden Stellung
gesperrt, und unter Druck gesetztes Fluid kann die Leitung 32 lediglich über die Niederdruckleitung 23 erreichen.
Der Abstand zwischen dem Einlassende der Öffnung 75 und dem
Mittelabschnitt 77 in dem Ventil 73 ist im Wesentlichen gleich
dem Durchmesser des Kanals 87. Demzufolge kommt es zu keiner
Unterbrechung des Fluidstroms aus der Leitung 23, wenn
das Ventil 73 in diese Richtung umschaltet. Das Fluid strömt dann
während
dieses Übergangs
von der Leitung 23 zu der Öffnung 75 und anschließend zu
dem Mittelabschnitt 77.
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In sämtlichen hydrostatischen Getrieben werden
zwei Rückschlagventile
verwendet, um die Ladepumpe in die Lage zu versetzen, das Regelkreissystem
während
des Betriebs mit Fluid aufzufüllen.
Das Rückschlagventil
der Hochdruckseite sperrt, während
das Rückschlagventil
der Niederdruckseite geöffnet
ist, um dem Auffüllfluid ein
Einströmen
in die Regelschleife zu ermöglichen.
Es ist nicht erwünscht, dass
das Auffüllfluid
aus der Ladepumpe gegen den Widerstand einer Feder ansteht, wodurch
es zu einem rissbildenden Druck auf der Rückseite des Rückschlagventils
kommt. Um diesen zur Rißbildung führenden
Druck des Rückschlagventils
zu überwinden,
ist Druck aus der Ladepumpenzufuhr erforderlich. Sämtliche
Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung schaffen die einzigartige Ventilkonstruktion, die ein
gleichzeitiges Öffnen
des Rückschlagventils
der Niederdruckseite und Schließen
des Rückschlagventils
der Hochdruckseite ermöglicht,
während
die Öffnungen,
die der gewünschten
Funktion des Vorbeileitens von Fluid dienen, gesperrt werden, wenn
sich die Hauptpumpe in ihrer Neutralstellung befindet. Diese Kombination
verbessert den Wirkungsgrad des hydrostatischen Getriebes erheblich,
indem nicht nur die unerwünschte
Querkanal-Undichtigkeit oder ein Entweichen des Fluids im normalen
Betrieb unterbunden wird, sondern auch der rissbildende Druck der
Ausgleichsrückschlagventile
eliminiert wird. Dieses Fluid-Bypass-Merkmal schafft einen ebenmäßigen Übergang
des Motorbetriebs während
eines Schattens aus der Neutralstellung in den Vorwärts- oder
Rückwärtsbetrieb.
Das augenblickliche Öffnen des
Rückschlagventils
der Niederdruckseite verhindert außerdem unerwünschte Geräusche, die
eventuell durch eine aufgrund von Fluidmangel auftretende Pumpenkavitation
verursacht werden.
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11 und 12 veranschaulichen die Änderung
der Wirkungsgrade von zwei 10-CC-Pumpen in Abhängigkeit von dem Druckunterschied
zwischen den Einlass- und Auslasskanälen. 11 zeigt die mittels einer im Handel
erhältlichen
Pumpe erzielten Versuchsergebnisse, die an einem Ausgleichsrückschlagventil
eine unveränderliche Öffnung von
0,031 Zoll aufweist. 12 zeigt
die Versuchsergebnisse im Falle einer Pumpe mit einem Rückschlagventil, wie
es im einzelnen in einem (in
-
4, 5 und 6 gezeigten) Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung beschrieben ist, das einen Öffnungsschieber 47 (mit
integral ausgebildeten Umgehungsöffnungen 43 und 44)
umfasst, der in dem Ventilblock 40 zwischen zwei Ausgleichsrückschlagventilen 41 und 42 eingefügt ist.
Ein Vergleich von 12 mit 11 zeigt, dass der Einsatz
eines speziellen Ventilblocks 40 die Leistung einer hydrostatischen
Pumpe unter normalen Betriebsbedingungen erheblich erhöht, während eine
Bypass-Funktion erhalten bleibt, die dem Motor 14 in der
Nähe der Neutralstellung
einen ebenmäßigen Übergang
aus der Neutralstellung in einen Betrieb mit einer Drehgeschwindigkeit
von beinahe Null ermöglicht.
Insbesondere zeigen die in 11 für die mit
einer herkömmlichen
Umgehungsöffnung
ausgerüsteten
Pumpe dargestellten Wirkungsgrade ein Sinken des volumetrischen
Pumpenwirkungsgrads von etwa 98% bei 500 psi Druckdifferenz auf
etwa 79% bei 2500 psi Druckdifferenz, was einer Reduzierung um etwa
19% entspricht. In Gegensatz dazu zeigt eine mit der gesperrten
Umgehungsöffnung 40 (4, 5 und 6)
dieser Erfindung ausgerüstete
Pumpe in 12 ein Sinken
des volumetrischen Pumpenwirkungsgrads von etwa 99% bei 500 psi
Druckdifferenz auf etwa 95% bei 2500 psi Druckdifferenz, also einen
Abfall von lediglich etwa 4,0%, während der Gesamtwirkungsgrad
von etwa 78% bei 500 psi Druckdifferenz auf etwa 82% bei 2500 psi
Druckdifferenz gesteigert ist, was einer Erhöhung von etwa 5,6% entspricht.
Ein Vergleich von 11 und 12 zeigt außerdem,
dass die erwähnte
Pumpe dieser Erfindung einen anfänglichen
Gesamtwirkungsgrad von etwa 78% bei einer Druckdifferenz von 500
psi aufweist, der also gleich dem Gesamtwirkungsgrad der Pumpe aus
dem Stand der Technik von etwa 78% bei 2500 psi Druckdifferenz ist,
gegenüber
82% bei 2500 psi Druckdifferenz für die erwähnte Pumpe dieser Erfindung.
Ein weiterer Vergleich der Gesamtwirkungsgrade der beiden Konstruktionen
zeigt ferner, dass der maximale Wirkungsgrad von 86% der Pumpe dieser
Erfindung bei einer erheblich größeren Druckdifferenz
von 2000 psi auftritt, im Vergleich zu einer Druckdifferenz von
1500 psi des Standes der Technik, bei welcher der maximale Gesamtwirkungsgrad
allerdings nur 79% beträgt.