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Die
Erfindung betrifft einen Hydrotransformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Ein
Hydrotransformator ist eine Einheit, bei der durch hydraulische
Kopplung eines Hydromotors und einer Pumpe ein Energiestrom Q1 × p1 in einen Energiestrom Q2 × p2 umgewandelt wird. Dabei wird einer vorhandenen
Druckversorgung nur so viel hydraulische Energie entnommen, wie
zum Antrieb eines an die Pumpe angeschlossenen Verbrauchers erforderlich
ist. Derartige Hydrotransformatoren können als Radialkolbenmaschine
oder als Axialkolbenmaschine ausgeführt sein.
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Die
US 3,188,963 zeigt einen
als Schrägscheibenmaschine
ausgeführten
Hydrotransformator, bei dem in einem drehbaren Zylinder geführte Verdränger an
einer feststehenden Schrägscheibe abgestützt sind.
Der Anstellwinkel der Schrägscheibe bestimmt
den Kolbenhub der Verdränger.
Die Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgt über eine Steuerscheibe mit
vier Steuernieren, wobei jeweils ein Steuernierenpaar dem Motor
bzw. der Pumpe zugeordnet ist.
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In
der
US 3,079,864 ist
ein Hydrotransformator in Flügelzellenbauweise
offenbart. Bei dieser Lösung
sind eine Vielzahl von in Radialrichtung verschiebbaren Verdrängern in
einem Rotor gelagert und gegen einen Hubring vorgespannt. Die Druckmittelzu-
und abfuhr erfolgt ähnlich
wie bei der vorbeschriebenen Lösung über eine
stirnseitig angeordnete Steuerscheibe.
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Aus
der
WO 97/31185 A1 und
der Druckschrift ”Ein
neuer alter Bekannter – der
Hydrotransformator”,
Siegfried Rotthäuser,
Peter Achten; O + P ”Ölhydraulik
und Pneumatik” 42
(1998) Nr. 6; S. 374 ff. ist der sogenannte INNAS-Hydrotransformator
bekannt, bei dem das Übersetzungsverhältnis, d.
h. das Verhältnis
zwischen dem Versorgungsdruck und dem Lastdruck des Verbrauchers
veränderbar
ist. Hierzu ist die Steuer scheibe mit drei Steuernieren versehen, deren
Relativposition zu den Totpunktlagen der Verdränger durch Verdrehen der Steuerscheibe
gegenüber
der Schrägscheibe
der Axialkolbenmaschine veränderbar
ist.
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Bei
einem in der
WO 97/31185
A1 offenbarten Ausführungsbeispiel
sind zwei der drei Steuernieren durch eine Steuerausnehmung ausgebildet,
die über
einen verschiebbaren Steg in die beiden Steuernieren unterteilt
ist. Durch Verschiebung des Steges entlang der Steuerausnehmung
kann die wirksame Steuerlänge
(Wirklänge)
der Steuernieren zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses
verändert werden.
Die Führung
und Abdichtung des Steuersteges ist jedoch relativ schwierig, so
daß diese
Lösung nur
mit hohem Aufwand realisierbar ist.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hydrotransformator zu
schaffen, bei dem die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses
gegenüber
dem vorbeschriebenen Stand der Technik vereinfacht ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Hydrotransformator mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Hydrotransformator ist
mit einem Steuerkörper
versehen, in dem zwei radial zu den Verdrängerräumen eines Rotors angeordnete
Steuerfenster ausgebildet sind.
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Im
Gegensatz dazu sind bei der bekannten Lösung die Steuerfenster stirnseitig
in Axialrichtung versetzt zu den Verdrängerräumen ausgebildet. Durch die
radial versetzte Relativanordnung des Steuerkörpers kann dieser vergleichsweise
einfach am Außenumfang
oder in einer Axialbohrung des Rotors gelagert werden. Da die Steuerfenster
taschenförmig
ausgebildet sind, ist der Steuerkörper in Axialrichtung mit Druck
ausgeglichen, so daß keine
Reaktionskräfte übertragen
werden.
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Die
Veränderung
der wirksamen Steuerlänge
der beiden Steuerfenster erfolgt vorzugsweise durch eine in Axialrichtung
verlaufende Relativbewegung zwischen Steuerkörper und Rotor, wobei vorzugsweise
der Steuerkörper
mit Bezug zum Rotor axial verschoben wird. Prinzipiell ist es jedoch
auch möglich,
den Rotor mit Bezug zum ortsfesten Steuerkörper zu verschieben.
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Die
Ausbildung der beiden Steuerfenster ist besonders einfach, wenn
diese durch eine etwa rechteckförmige
Steuerausnehmung mit einem etwa in Diagonalrichtung verlaufenden
Steg gebildet werden. Dieser Diagonalsteg kann gradlinig oder gebogen,
beispielsweise wendelförmig
ausgebildet sein.
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Um
ein Verkanten des mit Bezug zum Rotor bewegbaren Steuerkörpers zu
verhindern, können den
Steuerfenstern Druckausgleichstaschen in der Umfangswandung des
Steuerkörpers
zugeordnet sein, so daß die
Druckkräfte
in Radialrichtung ausgeglichen werden. Diese Druckausgleichstaschen
werden vorzugsweise in Axialrichtung versetzt zu den Steuerfenstern
ausgebildet.
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Bei
einer Variante sind die beiden über
einen Diagonalsteg getrennten Steuerfenster dem Tankanschluß und dem
Versorgungsanschluß zugeordnet, während ein
drittes, größeres Steuerfenster
dem Arbeits- oder
Verbraucheranschluß zugeordnet
ist.
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Bei
einer alternativen Variante kann das dem Arbeitsanschluß zugeordnete
Steuerfenster auch – ähnlich wie
bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik – an einer
Steuerscheibe ausgebildet werden. Die Relativposition dieses Steuerfensters mit
Bezug zu den Totpunktlagen der Verdränger ist nicht veränderbar.
Bei dieser Variante sind dem in der Steuerscheibe ausgebildeten
Steuerfenster noch zwei Übergangsdurchbrüche zugeordnet, über die
in den Totpunktlagen der Übergang
zwischen dem Lastdruck am Arbeitsanschluß und dem Versorgungsdruck
bzw. dem Tankdruck herstellbar ist. Die Steuerung des Übersetzungsverhältnisses
erfolgt über
den Steuerkörper.
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Die
Erfindung läßt sich
bei Konstruktionen in Axial- und Radialkolbenbauweise realisieren,
wobei im letztgenannten Fall Flügelzelleneinheiten
besonders vorteilhaft anwendbar sind.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren
Unteransprüche.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 Prinzipdarstellungen
eines erfindungsgemäßen Hydrotransformators
in Axialkolbenbauweise;
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3 eine
Abwicklung eines Steuerkörpers des
Hydrotransformators aus 1;
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4 ein
Schnitt entlang der Linie A-A in 3;
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5 eine
Steuerscheibe eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hydrotransformators
und
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6 eine
schematisierte Abwicklung eines Hydrotransformators zur Erläuterung
des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Die
folgenden Abbildungen sind lediglich Prinzipskizzen, anhand denen
die Funktion des erfindungsgemäßen Hydrotransformators 1 mit
radial angeordneter Steuerung erläutert werden sollen.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Hydrotransformator 1, der in Axialkolbenbauweise ausgeführt ist.
Dieser hat eine in einem nicht dargestellten Gehäuse geführte Trommel 2 in
der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind,
in denen Verdränger 6 axial
verschiebbar aufgenommen sind. Die Verdränger 6 und die Zylinderbohrungen 4 begrenzen
Verdrängerräume 8,
die wechselweise mit einem in 2 gestrichelt
angedeuteten Tankanschluß T,
einem Versorgungsanschluß P
und einem Arbeits- oder Verbraucheranschluß A verbindbar sind. Die Verdränger 6 sind
fußseitig
gegen eine Schrägfläche 10 einer
Schrägscheibe 12 vorgespannt,
so daß bei
einer Relativverdrehung zwischen Schrägscheibe 12 und Trommel 2 die
Verdränger 6 in eine
Hubbewegung versetzt werden.
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Die
Trommel 2 wird von einer Axialbohrung 14 durchsetzt,
in der ein in Axialrichtung verschiebbarer Steuerkörper 16 dichtend
geführt
ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Steuerkörper 16 bolzenförmig ausgebildet
und hat an seiner Außenum fangsfläche drei
Steuerfenster 18, 20 (siehe 1)
und 22 (siehe 2). Die beiden Steuerfenster 18, 20 sind über nicht
dargestellte Kanäle im
Rotor oder im Steuerkörper 16 mit
dem Tankanschluß T
bzw. dem Versorgungsanschluß P
verbunden, während
das in 1 rückwärtige Steuerfenster 22 über einen
entsprechenden Kanal mit dem Arbeits- oder Verbraucheranschluß A verbunden
ist.
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Die
Steuerfenster 18, 20, 22 sind durch drei Stege 24, 26, 28 voneinander
getrennt, wobei der Steg zwischen den beiden Steuerfenstern 18, 20 als Diagonalsteg 24 ausgebildet
ist.
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Zwischen
jedem Verdrängerraum 8 und
der Axialbohrung 14 erstreckt sich ein Radialkanal 30,
so daß die
Verdrängerräume 8 wechselweise
mit den Steuerfenstern 18, 20, 22 verbindbar
sind.
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Anhand
der 3 und 4 seien Einzelheiten des Steuerkörpers 16 erläutert. 3 zeigt eine
Abwicklung des Steuerkörpers 16 mit
einem rechteckförmigen
Steuerfenster 22 und den beiden etwa dreieckförmigen Steuerfenstern 18, 20,
die durch den Diagonalsteg 24 voneinander getrennt sind.
Die beiden in Axialrichtung verlaufenden Stege 26, 28 trennen
das Steuerfenster 22 von den beiden dreieckförmigen Steuerfenstern 18, 20,
wobei die Trennlinie der Abwicklung den Steg 28 mittig
teilt.
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Die
in 1 dargestellte Schnittebene A-A ist auch in der
Abwicklung gemäß 3 eingezeichnet.
In der in 1 dargestellten Relativposition
zwischen Steuerkörper 16 und
Trommel 2 werden die Steuerfenster 18, 20, 24 entlang
der Schnittlinie A-A von den Mündungsquerschnitten
der Radialkanäle 30 überfahren.
Dabei wird jeder Verdrängerraum 8 während der
Länge l1 mit dem Steuerfenster 20 und damit
mit dem Versorgungsanschluß P
und während der
Länge l2 mit dem Tankanschluß T verbunden. Bei einer weiteren
Verdrehung der Trommel 2 mit Bezug zum Steuerkörper 16 überfährt der
entsprechende Radialkanal 30 das Steuerfenster 22,
so daß eine Verbindung
mit dem Verbraucheranschluß hergestellt
ist.
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In
der dargestellten Relativposition entspricht die Länge l1 der Länge
l2, so daß sich ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis einstellt.
Die Veränderung
des Übersetzungsverhältnisses
erfolgt durch Axialverschiebung des Steuerkörpers 24 in Pfeilrichtung
gemäß 1,
wodurch sich die Linie A-A in 3 entsprechend
verschiebt. In 3 ist mit einer weiteren strichpunktierten
Linie eine Axialposition des Steuerkörpers 16 angedeutet,
in der die Länge
l1' wesentlich
größer als
die wirksame Steuerlänge
l2' ist
während
der der betreffende Verdrängerraum
mit dem Tankanschluß T
verbunden ist – das Übersetzungsverhältnis wird
etwa proportional zu dem Verhältnis
der neuen wirksamen Steuerlängen l1' und
l2' verändert. 4 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie A-A in 3, aus dem
sich die Verhältnisse der
wirksamen Steuerlängen 11, 12 entnehmen
lassen. Die Wirklänge
des rechteckigen Steuerfensters 22 bleibt unverändert und
entspricht der Länge
von l1 und l2.
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Anstelle
des geraden, in Diagonalrichtung verlaufenden Steges 24 kann
alternativ auch ein beliebig gekrümmter, beispielsweise wendelförmig gekrümmter Steg 24 verwendet
werden, so daß eine nicht
lineare Änderung
der wirksamen Steuerlängen l1, l2 einstellbar
ist.
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Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
sind die drei Steuerfenster 18, 20, 22 zur
Verbindung der Verdrängerräume 8 mit
den Anschlüssen
P, T und A im Steuerkörper 16 ausgebildet.
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In 1 ist
strichpunktiert eine Variante angedeuetet, gemäß der der Trommel 2 eine
Steuerscheibe 32 zugeordnet ist, über die die Druckmittelzufuhr
zum Arbeitsanschluß A
gesteuert wird. Der Steuerkörper 16 ist
dann entsprechend lediglich mit den beiden verbleibenden Anschlüssen, dem
Tankanschluß T
und dem Versorgungsanschluß P
zugeordneten Steuerfenstern 18, 20 versehen. 5 zeigt
eine schematische Ansicht der in 1 angedeuteten,
stirnseitigen Steuerscheibe 32. In dieser ist das Steuerfenster 22 als
Steuerniere ausgebildet, die sich etwa zwischen den beiden Totpunktlagen
OT und UT erstreckt. Von dem Steuerfenster 22 aus gesehen
jenseits der Totpunktlagen OT und UT sind zwei vergleichsweise kurze Übergangsdurchbrüche 38, 40 ausgebildet, über die
bei Überschreiten
der Totpunktlagen der Übergang
zum Versorgungsanschluß (Übergangsdurchbruch 40)
bzw. zum Tankanschluß (Übergangsdurchbruch 38)
erfolgt. D. h., bei dieser Variante sind in der Steuerscheibe 32 die
unverändert
bleibenden Steuerfenster/Steuerdurchbrüche ausgebildet, während in
dem Steuerkörper 16 die durch
Axialverschiebung veränderlichen
Steuerfenster 18, 20 angeordnet sind.
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Die
Druckmittelzufuhr von den Verdrängerräumen 8 zu
dem in der Steuerscheibe 32 ausgebildeten Steuerfenster 22 bzw.
den Übergangsdurchbrüchen 38, 40 erfolgt über Axialkanäle 42 (gestrichelt
angedeutet in 1) die stirnseitig in den Verdrängerräumen 8 münden. D.
h., bei dieser Variante münden
in jedem Verdrängerraum 8 ein
Radialkanal 30 und ein Axialkanal 42, über die
in die Verbindung zu den Steuerfenstern 18, 20 bzw. 22 herstellbar
ist.
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Bei
dieser Lösung
ist es besonders einfach, an den diametral zu den Steuerfenstern 18, 20 angeordneten
Umfangsflächenabschnitten
des Steuerkörpers 16 nicht
dargestellte Druckausgleichtaschen auszubilden, die dafür sorgen,
daß der
Steuerkörper 16 durch
den Druck am Versorgungsanschluß P
nicht einseitig gegen die Innenumfangswandung der Axialbohrung 14 gedrückt wird,
so daß ein
leichtes Verschieben des Steuerkörpers 16 möglich ist.
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Bei
der erstbeschriebenen Variante müssen diese
Druckausgleichstaschen axial versetzt zu den Steuerfenstern 18, 20, 22 ausgebildet
werden.
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Das
Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Hydrotransformators sei
abschliessend anhand von 6 erläutert. Diese zeigt eine Abwicklung
der Trommel 2 des letztbeschriebenen Ausführungsbeispiel.
In der Abwicklung bildet die Schrägfläche 10 der Schrägscheibe 12 eine
etwa sinusförmige
Steuerkurve, die von den Verdrängern 6 überfahren
wird. Gemäß 5 ist
an der von der Schrägscheibe 12 abgewandten
Stirnfläche
der Trommel 2 die Steuerscheibe 32 angeordnet,
in der das nierenförmige Steuerfenster 22 ausgebildet
ist. In der stark vereinfachten Darstellung gemäß 6 sind die
veränderlichen
Steuerfenster 18, 20 der Einfachheit halber ebenfalls
in der Steuerscheibe 32 ange deutet, wobei die wirksame
Steuerlänge
durch Axialverschiebung des lediglich schematisch angedeuteten Steuerkörpers 16 erfolgt.
D. h. durch ein Verschieben des Steuerkörpers 16 in der Darstellung
gemäß 6 nach links,
wird die wirksame Steuerlänge
des Steuerfensters 20 verringert, während die wirksame Steuerlänge des
Steuerfensters 18 gegenläufig vergrößert wird.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 6 hervorgeht,
ist der an das Steuerfenster 22 angeschlossene Verbraucheranschluß A während der
Aufwärtsbewegung
der Verdränger 6 mit
den Verdrängerräumen 8 verbunden.
Bei Erreichen der oberen Totpunktlage (OT) wird die Verbindung des
jeweiligen Verdrängerraums 8 mit
dem Steuerfenster 22 zugesteuert und nach Überfahren
des Steges 36 aufgesteuert, so daß die Verdrängerräume mit dem im Steuerkörper 16 ausgebildeten
Steuerfenster 20 mit dem Versorgungsanschluß P verbunden
sind. Je nach Einstellung des Steuerkörpers 16 wird dann
auf dem Weg zum unteren Totpunkt UT der entsprechende Verdrängerraum
mit dem Steuerfenster 18 und damit mit dem Tankanschluß T verbunden.
Bei Erreichen des unteren Totpunktes und Überfahren des Steges 34 erfolgt
die Verbindung des Verdrängerraums 8 mit
dem Arbeitsanschluß – der Zyklus
beginnt von neuem.
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Wie
bereits erwähnt,
ist das erfindungsgemäße Prinzip
mit einem radial zu den Verdrängerräumen geordneten
Steuerkörper
auch bei anderen Hydrotransformatorbauarten, beispielsweise Flügelzelleneinheiten
einsetzbar. Bei einer derartigen Variante könnte der Steuerkörper beispielsweise
in einer Axialbohrung des Rotors angeordnet sein, die über Radialbohrungen
mit den Verdrängerräumen verbunden ist.
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Offenbart
ist ein Hydrotransformator mit einem Rotor, in dem eine Vielzahl
von Verdrängern
geführt
ist. Die die Verdränger
aufnehmenden Verdrängerräume sind über eine
Steuereinrichtung mit zumindest drei Steuerfenstern mit einem Arbeitsanschluß, einem
Versorgungsanschluß oder
einem Tankanschluß verbindbar.
Die Steuereinheit hat einen Steuerkörper, in dem zumindest zwei
der Steuerfenster radial versetzt zu den Verdrängerräumen ausgebildet sind.
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- 1
- Hydrotransformator
- 2
- Trommel
- 4
- Zylinderbohrung
- 6
- Verdränger
- 8
- Verdrängerraum
- 10
- Schrägfläche
- 12
- Schrägscheibe
- 14
- Axialbohrung
- 16
- Steuerkörper
- 18
- Steuerfenster
- 20
- Steuerfenster
- 22
- Steuerfenster
- 24
- Diagonalsteg
- 26
- Stege
- 28
- Stege
- 30
- Radialkanal
- 32
- Steuerscheibe
- 34
- Stege
- 36
- Stege
- 38
- Übergangsdurchbrüche
- 40
- Übergangsdurchbrüche
- 42
- Axialkanal