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Die
Erfindung geht aus von einer Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische
Kolben-Zylinder-Einheit mit einem doppeltwirkenden Stellkolben,
welcher innerhalb eines Stellzylinders von mindestens einer Auslenkstellung
in eine vorbestimmte Nullstellung mittels einer mindestens teilweise
hydraulischen Nullstellungskraft rückstellbar ist.
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Nullstellungseinrichtungen
finden beispielsweise Anwendung in hydraulischen Systemen mit geschlossenem
Kreislauf, wenn ein doppeltwirkender Hydrostat (hydrostatischer
Linearmotor mit zweiseitiger Druckbeaufschlagung) vorgesehen ist,
der von jeder seiner Auslenkstellungen, in die er über entsprechend
einseitige Druckbeaufschlagung mit einem Stelldruck gebracht wird,
wieder zurück
in eine Ausgangsstellung gebracht werden muss. Die Ausgangsstellung
bezeichnet man als Nullstellung, da hierbei regelmäßig keine
Förderung
von Arbeitsmedium erfolgt.
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Bei
einer solchen Nullstellung von hydraulischen Einrichtungen, die
auch häufig
als Rückstellung
oder Rückführung bezeichnet
wird, müssen
die Nullstellungskräfte
der Nullstellungseinrichtung so ausgelegt werden, dass diese mindestens
die Stelldrücke
der Hauptpumpe des Systems bei maximaler Auslenkung der Kolben-Zylinder-Einheit überwinden kann
und auch noch bei maximalen Arbeitsdrücken ein Nullstellen ermöglicht.
Dies ist notwendig, damit der Stellkolben der Kolben-Zylinder-Einheit
in jeder möglichen
Arbeits- und Drucksituation
des Systems in seine vorbestimmte Nullstellung rückstellbar ist.
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Eine
bekannte Nullstellungseinrichtung besteht aus einer oder mehreren
mechanischen Rückstellfedern,
die zwischen dem Stellkolben und dem Stellzylinder der Kolben-Zylinder-Einheit
im Innern des Stellkolbens so befestigt sind, dass der Stellkolben
von seinen beiden Auslenkstellungen automatisch wieder in seine
Nullstellung mittels der Federkräfte
zurückbewegt
wird. Ein Nachteil dabei ist, dass mit zunehmender Ausschwenkung
der Kolben-Zylinder-Einheit die zum Ausschwenken des Stellkolbens erforderlichen
Stelldrücke
aufgrund von zunehmenden Federkräften
der Rückstellfedern
ansteigen. Die zum Ausschwenken benötigte Kraft setzt sich nämlich zusammen
aus der zu überwindenden
Nullstellungskraft der Rückstellfedern
und gegebenenfalls vorhandenen Verstellkräften aus einem angeschlossenen
Triebwerk. Deshalb müssen
entweder die Stelldrücke
entsprechend erhöht
oder die druckbelasteten Kolbenflächen des Stellkolbens vergrößert werden,
um die somit auch steigenden Nullstellungskräfte zu kompensieren.
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Ein
Beispiel einer solchen bekannten Nullstellungseinrichtung mit Rückstellfedern
ist in der 1 der Zeichnung dargestellt.
Hier sind die Rückstellfedern
im Innern des Stellkolbens integriert, um eine möglichst kompakte Bauweise zu
ermöglichen. Bei
zunehmender Auslenkung des Stellkolbens muss der Stelldruck bei
einer Kolben-Zylinder-Einheit mit dieser mechanischen Nullstellung
erhöht
werden. Der Stelldruck muss dabei entsprechend den gestiegenen Kräften wegen
der zunehmenden Federkraft erhöht
werden. Es muss also z.B. mit höheren
Stelldrücken
und damit erhöhtem
Aufwand auf der Antriebsseite gearbeitet werden.
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In
der WO 99/65719 A2 ist eine Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische
Kolben-Zylinder-Einheit der eingangs zuerst genannten Art beschrieben
und dargestellt. Die Kolben-Zylinder-Einheit hat dabei grundsätzlich die
Form eines zweiteiligen Teleskoprohres, dessen Hälften durch den von einer Hydropumpe
erzeugten Druck einer Hydraulikflüssigkeit ineinandergefahren
oder auseinandergezogen werden. Die unterschiedliche Auslenkungsrichtung
ergibt sich dadurch, dass die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit
wahlweise einer von zwei Druckkammern im Inneren der Kolben-Zylinder-Einheit
zugeführt
wird. Besondere Mittel zum Einhalten einer exakten Nullstellung
im laufenden Betrieb, d.h. zum Einhalten der exakten Mittelstellung zwischen
dem ineinandergefahrenen und dem auseinandergezogenen Zustand der
beiden Hälften
des Teleskoprohres, sind bei der Kolben-Zylinder-Einheit gemäß der WO
99/65719 A2 nicht vorgesehen.
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Lediglich
für den
Notfall, dass die Hydraulikpumpe ausfällt, enthält die Kolben-Zylinder-Einheit gemäß der WO
99/65719 A2 zwei zusätzliche
Nullstellungsglieder, die über
besondere Anschlüsse
und Zuleitungen von einem hydraulischen Akkumulator mit Hydraulikflüssigkeit
versorgt werden. Wenn der Notfall eingetreten ist, fahren die beiden
Nullstellungsglieder aus einer Neutral- oder Ruhestellung in die
beiden genannten Druckkammern der Kolben-Zylinder-Einheit vor und
werden als mechanischer Anschlag zwischen den beiden Hälften des
Teleskoprohres wirksam. Je nachdem, ob der ineinandergefahrene oder
der auseinandergezogene Zustand vorliegt, führt dann eines der beiden Nullstellungsglieder die
Kolben-Zylinder-Einheit in ihre Nullstellung zurück.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nullstellungseinrichtung
der aus der WO 99/65719 A2 bekannten Art, wie sie im Oberbegriff
des Anspruchs 1 berücksichtigt
ist, derart auszubilden, dass schon im laufenden Betrieb der Kolben-Zylinder-Einheit
eine exakte Nullstellung gewährleistet
ist, wobei die erforderlichen Stelldrücke gering bleiben und eine
raum- und kostensparende Bauweise erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Nullstellungseinrichtung gemäß den in
Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß sind also
im Inneren des Stellkolbens besondere Nullstellungskolben vorgesehen,
welche in jeder möglichen
Arbeits- und Drucksituation des Systems, also im laufenden Betrieb,
mit dem Stellzylinder und mit dem Stellkolben hydraulisch zusammenwirken.
Wird dem Stellkolben eine Hydraulikflüssigkeit zugeführt, die
unter einem Nullstellungsdruck steht, so wird der Stellkolben schon
im laufenden Betrieb in seine Nullstellung gebracht, ohne dass starke
Rückstellfedern
erforderlich sind.
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Auf
diese Weise hat die Einrichtung den erheblichen Vorteil, dass ein
Ansteigen von Nullstellungskräften
mit zunehmender Auslenkung des Stellkolbens, wie es bei bekannten
mechanischen Rückstellfedern
der Fall ist, weitestgehend vermieden wird. Da die Nullstellungskraft
hydraulisch erzeugt wird, bleiben die erforderlichen Stelldrücke über den gesamten
Auslenkungsweg der Kolben-Zylinder-Einheit im wesentlichen gleich.
Die hydraulisch erzeugte Kraft erhöht sich bei einer zunehmenden
Verstellung nicht bzw. kaum, obwohl die Nullstellungseinrichtung ein
gezieltes und zuverlässiges
Nullstellen des Kolbens durchführt.
Damit ist ein präzises
Nullstellen des Stellkolbens aus jeder erdenklichen Position und bei
jeden auftretenden Triebwerkskräften
gewährleistet.
Insgesamt hat dies den Vorteil, dass die Nullstellungseinrichtung
kompakter als bisher ausgebildet sein kann bzw. dass die erforderlichen
Stelldrücke bei
Verwenden einer solchen Nullstellungseinrichtung geringer sind gegenüber Einrichtungen
nach dem Stand der Technik. Beispielsweise kann so eine Kolben-Zylinder-Einheit
kleiner als bisher ausgeführt werden,
da wegen der geringeren Stelldrücke
die erforderlichen Kolbenflächen
des Stellkolbens kleiner sein können.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Nullstellungskolben
mit einer Rückstellfeder
vorbelastet, die dem Nullstellen des Stellkolbens im drucklosen
Zustand dient.
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Dadurch
ist eine Nullstellung des Stellkolbens auch in drucklosem Zustand
gewährleistet.
Das hat den Vorteil, dass die Nullstellungskraft zwar geringfügig ansteigt
mit zunehmender Verstellung des Stellkolbens von seiner Nullposition
weg, dass jedoch auch bei drucklosem System der Stellkolben ohne
den hydraulischen Anteil der Nullstellungskraft in seine Nullstellung
automatisch verstellbar ist. Dabei ist der federmechanisch erzeugte
Anteil der Nullstellungskraft nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung
so gering festzulegen, dass er gerade für eine Verstellung des Stellkolbens
ohne hydraulischen Druck ausreicht. Die Rückstellfeder weist also nur
eine geringe Federkraft auf.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient der
Speisedruck einer Speisepumpe in einem hydraulischen System zum
Erzeugen der Nullstellungskraft. Der ohnehin in jedem hydraulischen
Kreis vorhandene Speisedruck, welcher zum Ausgleichen von Druckverlusten
wegen Undichtigkeiten und dgl. dient, kann so für die Nullstellungseinrichtung
mit geringem Zusatzaufwand eingesetzt werden. Es sind auf diese
Weise keine aufwendigen Zusatzgeräte zum Betreiben der Nullstellungseinrichtung
notwendig.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Nullstellungskolben auf einer Stange verschiebbar, die mit dem Stellzylinder fest
verbunden ist. Bei druckbeaufschlagtem Nullstellungskolben wird
somit der Stellkolben der Kolben-Zylinder-Einheit in seine Ausgangsposition
verstellt. Die im Innern des Stellkolbens angeordneten Nullstellungskolben
sind somit über
eine Kolbenstange mit dem Stellzylinder verbunden. Im Innern des Stellkolbens
ist ein Zylinderrohr zur Aufnahme des Nullstellungskolbens ausgebildet,
so dass eine Beeinträchtigung
oder Vergrößerung der
betreffenden Kolben-Zylinder-Einheit vermieden wird. Die Nullstellungseinrichtung
ist vollständig
und Platz sparend in dem Stellkolben integriert. Ein Vorteil ist
hier in dem kompakten Aufbau der Nullstellungseinrichtung bzw. der
gesamten Kolben-Zylinder-Einheit zu sehen.
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Für die Zuführung des
Nullstellungsdruckes in das Innere des Stellkolbens sind vorteilhafterweise Druckleitungen
oder Zuführöffnungen
im Stellkolben und im Stellzylinder entsprechend gegenüberliegend vorgesehen.
Dabei sind die Leitungen und Öffnungen so
ausgebildet, dass trotz der Relativbewegung von Stellkolben und
Stellzylinder jederzeit eine Zuführung des
Nullstellungsdruckes möglich
ist. Dies ist beispielsweise durch eine in Axialrichtung des Stellkolbens
erweitert auslaufende Öffnung
im Stellzylinder oder entsprechende Längsnuten realisierbar.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Federkonstante der Rückstellfeder
auf das Nullstellen des Stellkolbens bei drucklosem Zustand abgestimmt.
So ist eine Nullstellung auch gewährleistet, wenn der Druck im
hydraulischen System – und
damit in der Kolben-Zylinder-Einheit – abfällt oder
kein Speisedruck vorhanden ist. Die Federkraft dieser Feder ist
natürlich
viel geringer als die von den eingangs beschriebenen Rückstellfedern
bei Einrichtungen nach dem Stand der Technik, da bei einem Nullstellen
in drucklosem Zustand lediglich Reibungskräfte zwischen dem Stellkolben
und seinem Zylinder überwunden
werden müssen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Nullstellungsposition des Stellkolbens einstellbar. Die Einstellung
oder Nachstellung ist von Vorteil, da so die Position des Stellkolbens
in Nullstellung noch nachträglich
geändert
und erforderlichenfalls nach langer Betriebsdauer nachgestellt werden
kann.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Kolbenflächen
des Nullstellungskolbens auf eine maximal erforderliche Nullstellungskraft
abgestimmt. So kann auf konstruktive Weise die Nullstellungseinrichtung
auf die Verwendung und die Einsatzgebiete des Hydrostaten abgestimmt
werden. Sind die maximalen Druckverhältnisse gering, so kann durch
Berechnungen die entsprechend geringe Größe von Kolbenflächen für ein ausreichendes
Funktionieren der Nullstellung berechnet werden. Nach einem diesbezüglichen
Aspekt der Erfindung ist alternativ dazu der Nullstellungsdruck
auf eine maximal im hydraulischen System erforderliche Nullstellungskraft
abgestimmt. Dadurch ist die Nullstellungseinrichtung für unterschiedliche
Maximaldruckverhältnisse über den
veränderlichen
Nullstellungsdruck anpassbar.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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1 eine
geschnittene Draufsicht einer Kolben-Zylinder-Einheit mit mechanischer
Nullstellung nach dem Stand der Technik.
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2 eine
geschnittene Draufsicht einer Kolben-Zylinder-Einheit mit mechanisch-hydraulischer
Nullstellung gemäß der Erfindung
in Nullstellung,
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3 eine
geschnittene Draufsicht der Kolben-Zylinder-Einheit aus 2 in
einer Auslenkstellung, und
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4a, 4b zwei
Diagramme zur Veranschaulichung des Unterschiedes zwischen mechanisch
erzeugter Nullstellungskraft und hydraulisch erzeugter Nullstellungskraft.
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In 1 ist
eine Nullstellungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit rein
mechanischer Erzeugung der Nullstellungskraft dargestellt. Die Kolben-Zylinder-Einheit 1 besteht
aus dem Stellkolben 2, welcher in dem Stellzylinder 3 von
seiner in der Zeichnung dargestellten Nullstellung N in beide Axialrichtungen
in jeweilige Auslenkstellungen A, A' ausgelenkt werden kann. Dazu wird eine
Kolbenfläche des
Stellkolbens 2 mit dem Durchmesser D mit einem Stelldruck
beaufschlagt. Der Stellkolben weist ferner eine Anlenkung 9 auf,
mittels welcher die Auslenkung auf eine zu betätigende Schrägscheibe übertragen wird.
Im Innern des Stellkolbens 2 sind zwei Schraubendruckfedern
als Nullstellfedern 7, 8 eingebaut, die den Stellkolben 2 von
seinen Auslenkstellungen A, A' in
seine Nullstellung N zurück
bewegen. Die Druckkräfte
werden durch eine mit dem Stellzylinder 3 verschraubte
Stange 10 auf den Stellkolben 2 übertragen.
Dies ist ein Beispiel für
bekannte Nullstellungseinrichtungen, die im Zusammenhang mit Hydrostaten
bisher zum Einsatz kommen.
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2 zeigt
eine Draufsicht im Schnitt von einer Kolben-Zylinder-Einheit, die
im wesentlichen der aus 1 entspricht, wobei hier eine
erfindungsgemäße Nullstellungseinrichtung
vorgesehen ist. Auch hier ist der Stellzylinder 2 in seiner
Nullstellung N zentriert dargestellt. Wird über die Zuleitungen 11, 12 ein
Stelldruck dem Kolben zugeführt,
so bewegt er sich in seine jeweilige Auslenkstellung A, A', aus der er jedoch
hier über
eine hydraulische Nullstellungskraft zurückbewegt wird. Dazu sind im
Innern des Stellkolbens 2 Nullstellungskolben 4 vorgesehen, welche
mit einem hydraulischen Nullstellungsdruck betätigt werden. Dafür sind im
Stellkolben 2 und im Stellzylinder 3 seitliche Öffnungen 13 vorgesehen, über welche
zum Beispiel durch Anschluss der Speisepumpe ein Nullstellungsdruck
im Innern des Stellkolbens geleitet wird.
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Die
Nullstellungskolben 4 sind verschiebbar auf einer Stange 10 gelagert.
Durch Zusammenwirken der Stange 10 der Nullstellungskolben 4 mit
den Kolbenflächen
mit dem Durchmesser d des Nullstellungskolbens 4 wird der
Stellkolben 2 in seine Nullstellung N gebracht. Der Nullstellungskolben 4 ist
mit einer als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 6 vorbelastet,
die dem Nullstellen des Stellkolbens 2 in drucklosem Zustand
dient. Dementsprechend weist die Rückstellfeder 6 nur
eine geringe Federkraft auf. Der Hauptanteil der Nullstellungskraft wird
jedoch hydraulisch erzeugt, um einen Anstieg der Nullstellungskraft
mit zunehmender Auslenkung möglichst
zu vermeiden (siehe hierzu auch 4a und 4b).
Zwischen dem Nullstellungskolben 4 und dem Stellkolben 2 sowie
zwischen dem Stellkolben 2 und dem Stellzylinder 3 sind
Dichtungselemente 14, 15, 16 vorgesehen,
die dazu dienen, die Druckbereiche der Kolben-Zylinder-Einheit 1 und
die der Nullstellungseinrichtung voneinander zu trennen. Die Stange 10 des
Nullstellungskolbens 4 weist an ihrem zylinderseitigen
Befestigungsende einen Gewindeabschnitt mit Einstellmuttern 17 und
Kontermuttern auf, über
welche die Nullstellungsposition N des Stellkolbens 2 einstellbar
ist.
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3 zeigt
die Kolben-Zylinder-Einheit 1 aus 2 in der
Auslenkstellung A, bevor die Nullstellungseinrichtung betätigt wird.
Obwohl jetzt die seitlichen Öffnungen
13 im Stellkolben 2 und im Stellzylinder 3 für die Zuleitung
des Nullstellungsdrucks zu den Nullstellungszylindern 4 relativ
zueinander versetzt sind, kann über
die zu einer Längsnut
oder Umfangsnut erweiterte Öffnung 13 auf
der Innenseite des Stellzylinders 3 die Druckzufuhr zum
Nullstellungskolben 4 erfolgen. Im übrigen gilt das zu 2 Ausgeführte hier
entsprechend.
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Aus
den beiden Diagrammen gemäß 4a und 4b wird
deutlich, wie sich die Nullstellungskraft bei einer Nullstellungseinrichtung
nach der Erfindung auf vorteilhafte Weise zusammensetzt gegenüber einer
rein mechanisch erzeugten Nullstellungskraft. Während bei einer rein mechanisch
mit gängigen
Nullstellfedern erzeugten Nullstellungskraft (Ordinate in 4a)
diese mit zunehmender Auslenkung des Hydrostaten (4a Abszisse)
deutlich ansteigt, bleibt bei der Nullstellung gemäß der Erfindung
die Nullstellungskraft auch bei einer starken Auslenkung annähernd gleich
(4b). Lediglich der sehr geringe Kraftanteil der
Rückstellfeder
für die drucklose
Nullstellung lässt
die Nullstellungskraft leicht ansteigen. Damit ist klar ersichtlich,
dass ein wesentlicher Vorteil der Erfindung in der Reduzierung der
erforderlichen Nullstellungskraft liegt.