DE10037114A1 - Hydrotransformator - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Hydrotransformator, bei dem die Steuerung des Druckmittelzu- und abflusses über zumindest vier Steuernieren erfolgt, von denen zumindest zwei gegenüber einem Hubelement des als Verdrängermaschine ausgebildeten Hydrotransformators verdrehbar oder auf sonstige Weise verstellbar sind. Ein derartiger Hydrotransformator läßt sich beispielsweise zur Ansteuerung eines Gleichgangzylinders oder eines Hydromotors in einem geschlossenen Kreislauf verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydrotransformator gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 und eine mit einem derartigen Hydrotrans­ formator ausgeführte hydraulische Schaltung.

Ein Hydrotransformator ist eine Einheit, bei der durch hydraulische Kopplung eines Hydromotors und einer Pumpe ein Energie­ strom Q₁ × p₁ in einen Energiestrom Q₂ × p₂ umgewandelt wird. Dabei wird aus einer vorhandenen Druckversorgung nur soviel hydraulische Energie entnommen, wie zum Antrieb eines an die Pumpe angeschlossenen Verbrauchers erforderlich ist. Derartige Hydrotransformatoren können beispielsweise als Flügelzellenmaschine oder als Axialkolbenmaschine ausgeführt sein.

Die US 3,188,963 zeigt einen als Schrägscheibenmaschine ausgeführten Hydrotransformator, bei dem in einem drehbaren Zylinder geführte Axialkolben an einer feststehenden Schrägscheibe abgestützt sind. Der Anstellwinkel der Schrägscheibe bestimmt den Kolbenhub der Axialkolben. Bei der bekannten Lösung sind die Axialkolben des Motors radial nach außen gegenüber den Axialkolben der Pumpe versetzt, wobei die Druckmittelzufuhr und -abfuhr über eine gemeinsame Steuerscheibe mit vier Steuernieren erfolgt. Das dem Motor zugeordnete Steuernieren­ paar liegt dabei radial außerhalb des der Pumpe zugeordneten Steuer­ nierenpaares. Die den Druckmitteleinlaß steuernden Nieren sind dabei um 180° gegenüber den den Druckmittelauslaß steuernden Steuernieren versetzt. Die Steuernieren sind derart ausgebildet, daß im Bereich der Totpunkte (unterer Totpunkt UT, oberer Totpunkt OT) weder eine Druck­ mittelzufuhr noch eine Druckmittelabfuhr zu den Zylinderräumen er­ folgt, so daß die Pulsation möglichst gering ist.

Die US 3,079,864 offenbart einen Hydrotransformator, bei dem das oben beschriebene Prinzip mittels einer Flügelzellenmaschine reali­ siert ist. Bei dieser bekannten Lösung sind eine Vielzahl von in Radialrichtung verschiebbaren Verdrängern in einem Rotor gelagert und gegen die Innenumfangsfläche eines Hubrings vorgespannt. Die durch je­ weils einen Verdränger und den Rotor begrenzten Zylinderräume sind über zwei um 180° versetzte Steuernieren in Seitenteilen der Flügel­ zellenmaschine mit einer Druckversorgung bzw. einem Verbraucher, im vorliegenden Fall einem Akkumulator, verbindbar, während die außenlie­ genden, von den Verdrängern und von einem Hubring begrenzten Zylinder­ räume über außenliegende Steuernieren mit der Druckversorgung und ei­ nem Rücklaufkanal verbindbar sind. Ähnlich wie bei der vorbeschriebe­ nen Konstruktion sind bei der aus der US 3,079,864 bekannten Lösung die jeweils für die Druckmittelzufuhr vorgesehenen Steuernieren gegen­ über den beiden den Druckmittelauslaß steuernden Steuernieren um 180° versetzt.

Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen ist, daß das Übersetzungsverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen dem Eingangs­ druck und dem zur Versorgung des Verbrauchers vorgesehene Druck nicht veränderbar ist, so daß der Hydrotransformator nur mit einem konstan­ ten Übersetzungsverhältnis betrieben werden kann.

Dieser Nachteil wird durch den sogenannten INNAS-Hydrotransforma­ tor beseitigt, wie er in 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 beschrieben ist. Bei diesem INNAS-Hydrotransformator erfolgt die Steuerung der Druckmittelströme über eine Steuerscheibe, die ge­ genüber der Schrägscheibe einer Axialkkolbenmaschine verstellbar ist. Durch die Verstellung der Steuerscheibe gegenüber der Schrägscheibe kann die Relativlage der Steuernieren mit Bezug zu den Totpunktlagen der Axialkolbenmaschine geändert werden. Dies ermöglicht die Realisie­ rung einer Sekundärregelung mit verstellbaren Verdrängereinheiten, bei der Drosselverluste - im Gegensatz zu Widerstandssteuerungen - prak­ tisch nicht auftreten.

Beim Einsatz dieser bekannten Konstruktion zeigt sich, daß die Einstellung des geeigneten Übersetzungsverhältnisses bei Lastwechseln am Verbraucher nicht mit der erforderlichen Genauigkeit herbeiführbar ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hy­ drotransformator und eine mit einem derartigen Hydrotransformator aus­ geführte Schaltung zu schaffen, durch die bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand auch bei ungünstigen Betriebsbedingun­ gen eine schnelle Anpassung an Lastwechsel am Verbraucher gewährlei­ stet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Hydrotransformator mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 1 und eine Schaltung gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 16 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Hydrotransformator mit zumindest vier Steuernieren ausgeführt, wobei zur Einstellung der hydraulischen Lei­ stung zumindest zwei der Steuernieren gegenüber einem Hubelement zur Betätigung von Verdrängern des Hydrotransformators einstellbar ist. Erfindungsgemäß sind somit sowohl der Pumpe als auch dem Motor jeweils Steuernieren zugeordnet, durch deren Relativverdrehung mit Bezug zum Hubelement eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses möglich ist. Dies ermöglicht gegenüber den aus den US-Druckschriften bekannten Lö­ sungen eine verlustarme Ansteuerung von Antrieben. Die Erfindung zeichnet sich gegenüber dem INNAS-Hydrotransformator durch eine ver­ besserte Dynamik aus, da die vier Steuernieren eine wesentlich schnel­ lere und exaktere Einstellung der Energieströme ermöglichen, wobei ei­ ne gegenläufige Verstellung von Pumpe und Motor mit einfachen Mitteln ermöglicht ist.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Konzeptes bieten sich zwei Alternativmöglichkeiten an. Bei der ersten Variante sind zwei der zu­ mindest vier Steuernieren einem gemeinsamen Druckpotential, beispiels­ weise dem Verbraucherdruck oder dem Rücklauf- oder Tankdruck zugeord­ net. Die beiden anderen Steuernieren sind den jeweils verbleibenden Druckpotentialen (Verbraucher, Tank, Versorgung) zugeordnet. Bei die­ ser Variante können die Steuernieren in einer gemeinsamen Steuer­ scheibe ausgebildet werden, deren Relativposition gegenüber dem Hubelement veränderbar ist. Durch Veränderung dieser Relativposition wird dann eine Maschine (Pumpe, Motor) in Richtung größeres Hubvolumen und die andere Maschine (Motor bzw. Pumpe) in Richtung kleineres Hubvolu­ men verstellt.

Bei der zweiten erfindungsgemäßen Konstruktionsvariante werden die einer Maschine (Pumpe, Verbraucher) zugeordneten Steuernieren auf ei­ ner ersten Steuerscheibe und die beiden anderen Steuernieren auf einer zweiten Steuerscheibe ausgebildet, wobei die eine Steuerscheibe ihre Relativposition mit Bezug zum Hubelement beibehält, während die Rela­ tivposition der anderen Steuerscheibe einstellbar ist. Bei der letzt­ genannten Variante werden vorzugsweise die Steuernieren der Pumpe der­ art mit Bezug zu den Totwinkelpositionen der Verdränger ausgebildet, daß der Wechsel zwischen den beiden Steuernieren jeweils in der zuge­ ordneten Totwinkelposition stattfindet - auf diese Weise kann die Pulsation der Pumpe gegenüber dem INNAS-Transformator mit veränderli­ cher Lage der Pumpensteuernieren gegenüber den Totwinkelpositionen we­ sentlich verringert werden. Selbstverständlich kann auch die Steuer­ niere des Motors in der genannten Position angeordnet sein.

Die Steuerscheiben lassen sich besonders kompakt ausführen, wenn die beiden Steuernierenpaare radial versetzt zueinander angeordnet sind.

Der Aufbau des Hydrotransformators ist besonders einfach, wenn die beiden relativ zueinander verdrehbaren Steuerscheiben auf gegenüber­ liegenden Seiten des Rotors ausgebildet sind, so daß die Verdränger­ räume zumindest abschnittsweise stirnseitig von den beiden Steuer­ scheiben begrenzt sind.

Bei der Alternative mit einer gemeinsamen Steuerscheibe werden die Steuernieren vorzugsweise der Steuerscheibe vorteilhafterweise symme­ trisch zu der durch die Totpunktlage der Verdränger vorgegebenen Achse angeordnet sind, so daß in der Grundstellung Momentengleichgewicht be­ steht.

Bei der zweiten Alternative mit einer einzigen Steuerscheibe wer­ den die Steuernieren in der Grundstellung abschnittsweise in Radial­ richtung überlappend ausgeführt.

Es wird bevorzugt, das Schluckvolumen des Motors größer als das Verdrängungsvolumen der Pumpe des Hydrotransformators auszuführen, so daß eine entsprechende Erhöhung des Verbraucherdruckes gegenüber dem Versorgungsdruck einstellbar ist. Der Hydrotransformator läßt sich als Flügelzellenmaschine, als Axialkolbenmaschine oder auch nach anderen Verdrängerprinzipien, beispielsweise Zykloidenverzahnungen etc. aus­ bilden.

Besonders vorteilhaft einsetzbar ist der Hydrotransformator bei Anwendungen, bei denen am Versorgungs- oder Eingangsanschluß ein Hy­ drospeicher, am Verbraucheranschluß ein Verbraucher und am Nieder­ druckanschluß ein Tank oder ein Rücklauf vom Verbraucher angeschlossen sind.

Der erfindungsgemäße Hydrotransformator mit zumindest vier Steuer­ nieren läßt sich in einem geschlossenen Kreislauf zur Ansteuerung ei­ nes Verbrauchers, beispielsweise eines Gleichgangzylinders oder eines Hydromotors einsetzen. Die beiden zum Verbraucher führenden Arbeits­ leitungen werden dabei über eine geeignete Einrichtung hydraulisch vorgespannt. Eine derartige hydraulische Vorspannung erhöht die Stei­ figkeit des Antriebs, so daß beispielsweise beim Auftreten einer Bela­ stung der Geschwindigkeitsabfall des Antriebes geringer wird. Eine derartige hydraulische Vorspannung ist per se bereits aus der DE 38 36 485 C2 der Anmelderin bekannt.

Diese Vorspannung kann beispielsweise jeweils durch zwei Drosseln erfolgen, von denen eine in Richtung zu einer Druckversorgung und die andere in Richtung zu einem Tank wirksam ist. Alternativ zu den beiden Drosseln kann auch eine entsprechend wirkende Ventilanordnung vorgese­ hen werden, wie sie beispielsweise in der vorgenannten DE 38 36 485 C2 offenbart ist.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schaltungsvarianten eines Hydrotransformators;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine als Hydrotransformator aus­ gebildete Axialkolbenmaschine;

Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele von Steuernieren einer Steuerscheibe einer Axialkolbenmaschine gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Schemadarstellung einer als Hydrotransformator ausge­ führten Flügelzellenmaschine,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Flügelzellenmaschine aus Fig. 5;

Fig. 7 und 8 Darstellungen der Flügelzellenmaschine aus Fig. 1 bei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen;

Fig. 9 eine Prinzipschaltung mit einem Hydrotransformator zur An­ steuerung eines Gleichgangzylinders und

Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines Hydrotransformators in Axialkolbenbauweise.

Wie bereits eingangs erwähnt erlaubt ein Hydrotransformator eine nahezu drosselfreie Leistungsentnahme aus einem hydraulischen Netz. Fig. 1 zeigt unterschiedliche Verschaltungen eines Hydrotransforma­ tors 2, über den Druckmittel aus einer konstanten Druckversorgung, beispielsweise einem Hydrospeicher 4 entnehmbar und einem Verbraucher 6, beispielsweise einem Hydromotor oder einem doppelt wirkenden Zylin­ der zuführbar ist. Die Volumenstromdifferenz zwischen dem aus dem Hy­ drospeicher 4 entnommenen Volumenstrom und dem zum Verbraucher 6 ge­ führten Volumenstrom wird aus einem Tank 8 entnommen bzw. in diesen eingespeist. Der dargestellte Hydrotransformator 2 hat somit einen Druck- oder Versorgungsanschluß P, einen Arbeitsanschluß A und einen Tankanschluß T.

Prinzipiell läßt sich ein Hydrotransformator als Kombination eines Motors 10, an den eine Pumpe 12 mechanisch angekoppelt ist, darstellen. Gemäß dem eingangs beschriebenen Stand der Technik werden derar­ tige Hydrotransformatoren 2 durch verstellbare Verdrängereinheiten realisiert, wobei vorzugsweise Axialkolbenmaschinen oder Flügelzellen­ maschinen zum Einsatz kommen. Prinzipiell ist jedoch jede Verdrän­ gereinheit einsetzbar, bei der die Verdränger derart gelagert sind, daß sie aufeinanderfolgend mit drei Druckniveaus - dem Versorgungs­ druck, dem Tankdruck und dem Verbraucherdruck - in Wirkverbindung bringbar sind.

Bei dem in Fig. 1a) dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Verbraucher 6 über den an den Druckanschluß der Pumpe 1a) angeschlos­ senen Arbeitsanschluß A mit Druckmittel versorgt. Dies dürfte die häu­ figste Schaltung sein, wie sie bei Hydrotransformatoren 2 eingesetzt wird.

Gemäß Fig. 1b) kann der Arbeitsanschluß A jedoch auch mit dem Ausgangsanschlüssen des Motors 10 und der Pumpe 12 verbunden sein, so daß dem Verbraucher 6 Druckmittel vom Motor 10 und von der Pumpe 12 zugeführt wird. Mit einer derartigen Schaltung lassen sich nicht so hohe Ausgangsdrücke am Anschluß A wie bei der mit Fig. 1a) gezeigten Lösung erzeugen - d. h. das maximale Übersetzungsverhältnis ist gerin­ ger als bei dem unter 1a) dargestellten Ausführungsbeispiel.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1c) sind die Eingangsanschlüsse des Motors 10 und der Pumpe 12 an den Versorgungsanschluß P angeschlossen, so daß beide Einheiten parallel mit Versorgungsdruck gespeist werden. Der Ausgangsanschluß des Motors 10 wird bei diesem Ausführungsbeispiel zum Tankanschluß T, während der Verbraucher 6 über den Arbeitsanschluß A an den Druckanschluß der Pumpe 12 angeschlossen ist.

Die Erfindung sei zunächst anhand einer Axialkolbeneinheit, ge­ nauer gesagt einer Schrägachseneinheit gemäß Fig. 2 beschrieben. Da Schrägachseneinheiten per se bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, sollen im folgenden lediglich die zum Verständnis wesentlichen Bauelemente beschrieben werden.

Schrägachseneinheiten der in Fig. 2 dargestellten Bauart haben eine in einem Transformatorgehäuse 14 gelagerten Triebwelle 16. An ei­ nem Triebflansch 18 der Triebwelle 16 sind über Kugelgelenke 20 Kolben 22 gelagert, die axial verschiebbar in einer Zylindertrommel 24 ge­ führt sind. Diese ist ihrerseits drehbar im Gehäuse 14 gelagert, so daß bei einer Rotation der Triebwelle 16 die Kolben 22 und damit auch die Zylindertrommel 24 mitgenommen werden. Der Anstellwinkel zwischen der Achse der Zylindertrommel 24 und der Achse der Triebwelle 16 be­ stimmt den maximalen Kolbenhub. Durch Veränderung dieses Anstellwin­ kels läßt sich somit der Kolbenhub verändern, so daß eine stufenlose Veränderung des Verdrängungsvolumens möglich ist.

Die Steuerung der Druckmittelzufuhr und -abfuhr in die bzw. aus den in der Zylindertrommel 24 ausgebildeten Zylinderräumen 26 erfolgt über einen Steuerspiegel, der den stirnseitigen Abschluß der Zylinder­ trommel 24 bildet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist die stirnseitige Anlagefläche der Zylindertrommel 24 an den Steuerspiegel 28 sphärisch ausgebildet, so daß eine Zentrierung er­ folgt. Diese Anlagefläche kann jedoch auch plan oder auf sonstige Weise ausgeführt sein. Der Steuerspiegel 28 hat nierenförmige Ausneh­ mungen, im folgenden Steuernieren genannt, über die die Anschlüsse P, T und A (letztere nicht gezeigt in Fig. 2) aufeinanderfolgend mit denjenigen Zylinderräumen 26 verbindbar sind, die in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition der Triebwelle 16 von den Steuernieren über­ deckt sind.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steu­ erspiegel 28 verstellbar im Gehäuse 14 gelagert, so daß die Relativ­ lage der genannten Steuernieren mit Bezug zu dem oberen und unter Tot­ punkt der Schrägscheibeneinheit verstellbar ist. Durch diese Verstell­ barkeit der Drehwinkelposition des Steuerspiegels 28 läßt sich das Übersetzungsverhältnis des Hydrotransformators einstellen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen stirnseitige Ansichten von Steuerspiegeln, wie sie bei dem in Fig. 1a) (Fig. 3) bzw. Fig. 1 b) (Fig. 4) dargestellten Hydrotransformatorschaltungen zum Einsatz kommen können.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Steuer­ spiegels 28 sind vier Steuernieren ausgebildet, wobei die innenliegen­ den Steuernieren um etwa 90° gegenüber den außenliegenden Steuernieren versetzt sind.

In den Darstellungen gemäß Fig. 3 und 4 ist die Drehrichtung der Zylindertrommel 24 (Fig. 2) mit einem Pfeil angedeutet. Die Rela­ tivposition des Steuerspiegels 28 zu den oberen und unteren Totpunkten der Kolben 22 ist in der dargestellten Grundposition so gewählt, daß die Verbindungslinie zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Tot­ punkt die horizontale Achse in der Darstellung gemäß den Fig. 3 und 4 des Steuerspiegels 28 bildet. Demgemäß erstreckt sich eine der Druckversorgung (Hydrospeicher 4) zugeordnete Versorgungsniere 30 in der gezeigten Relativposition des Steuerspiegels 28 im Bereich zwi­ schen OT und UT. Eine auf den gleichen Teilkreis liegende, um 180° ge­ genüber der Versorgungsniere 30 versetzte Tankniere 32 erstreckt sich in der Grundposition symmetrisch zur Achse OT-UT zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt, wobei die beiden Steuernieren 30, 32 im Bereich der Totpunkte beabstandet sind.

Radial innerhalb der beiden Steuernieren 30, 32 sind zwei um 180° versetzte Steuernieren ausgebildet, wobei eine Verbraucherniere 34 in der dargestellten Grundposition mit ihrem Scheitel zum UT ausgerichtet ist, während eine um 180° dazu versetzte Niere 36 mit dem Scheitel zum OT ausgerichtet ist. Gemäß Fig. 3 sind die Tankniere 32 und die Niere 36 über einen Verbindungskanal 38 hydraulisch miteinander verbunden. Aus einem Vergleich mit Fig. 1a) ergibt sich, daß die Versorgungsniere 30 und die Tankniere 32 dem Motor 10 zugeordnet sind, während die Verbraucherniere 34 und die mit der Tankniere verbundene Niere 36 dem Pumpenteil des Hydrotransformators 2 zugeordnet sind.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 3 ergibt sich weiterhin, daß die Kolben in der Grundposition des Steuerspiegels 28 während ihres Weges vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt über die Versorgungsniere 30 mit dem Hydrospeicher 4 oder der sonstigen Druckversorgung verbunden sind. Beim Durchfahren des unteren Totpunktes wird die Verbindung unterbrochen und über die Tankniere 32 die Verbindung zum Tank 8 aufge­ steuert. Diese Verbindung wird beim Erreichen des oberen Totpunktes wieder unterbrochen, so daß wiederum auf die Verbindung mit der Ver­ sorgungsniere 30 umgesteuert werden kann. Durch diese Umsteuerung im Bereich des oberen und unteren Totpunktes wird aufgrund der geringen Volumenänderungen in den Totpunkten die Druckpulsation des Motorteils des Hydrotransformators minimiert. In der in Fig. 3 dargestellten Re­ lativposition ist die Verbraucherniere 34 symmetrisch zum unteren Tot­ punkt angeordnet, so daß in der Summe kein Druckmittel zum Verbraucher geführt wird. Bei dieser Relativanordnung des Steuerspiegels 28 ist das auf die Zylindertrommel 24 wirkende Antriebsmoment maximal, so daß auch der Druck am Arbeitsanschluß A maximal ist. Der Volumenstrom zum Verbraucher 6 geht allerdings gegen Null.

Bei einer Verdrehung des Steuerspiegels 28 aus der in Fig. 3 dar­ gestellten, zur Verbindungslinie zwischen OT und UT symmetrischen Be­ zugsposition, wird der Motor in Richtung geringeres Drehmoment und da­ mit geringeres Hubvolumen verstellt, während die Pumpe aus der Positi­ on mit minimalem, gegen Null gehenden Hubvolumen in Richtung größeres Hubvolumen verstellt wird. D. h., durch die Verdrehung des Steuerspie­ gels 28 werden Motor und Pumpe in entgegengesetzter Richtung ver­ stellt. Dieses entgegengesetzte Verstellen wird durch die Versetzung der pumpenseitigen Nieren gegenüber der antriebsseitigen Nieren um 90° erreicht.

Mit dem in Fig. 4 dargestellten Steuerspiegel 28 läßt sich die Schaltung gemäß Fig. 1b) realisieren, bei der sowohl der pumpen- als auch der motorseitige Ausgangsanschluß an den Arbeitsanschluß A ange­ schlossen sind, so daß der Verbraucher 6 sowohl vom Motor 10 als auch von der Pumpe 12 mit Druckmittel versorgt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 erstreckt sich die Ver­ sorgungsniere 30 in der Grundposition des Steuerspiegels 28 wiederum im Bereich zwischen oberen und unteren Totpunkt. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist nicht die Tankniere 32, son­ dern die Verbraucherniere 34 auf dem gleichen Teilkreis wie die Ver­ sorgungsniere 30 angeordnet. Die Tankniere 34 ist bei diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch zum oberen Totpunkt angeordnet, während die gegenüberliegende, mit dem Scheitel zum UT ausgerichtete Niere 36 über den Verbindungskanal 38 mit der Verbraucherniere 34 verbunden ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die außenliegenden Nieren 30, 34 wiederum dem motorseitigen Teil des Hydrotransformators 2 und die innenliegenden Steuernieren 34, 30 dem pumpenseitigen Teil des Hy­ drotransformators zugeordnet. In der dargestellten Grundposition wird das vom Verbraucher über die Versorgungsniere 30 während der Kolbenbe­ wegung vom OT zum UT aufgenommene Druckmittel über die Versorgungsnie­ re 34 zum Verbraucher 6 geführt. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Niere 36 und der Tankniere 34 über die Pumpe erfolgt keine Druck­ mittelversorgung des Verbrauchers 6. D. h., der Druck am Arbeitsan­ schluß A entspricht dem Druck im Hydrospeicher 4 und der aus dem Hy­ drospeicher 4 entnommene Volumenstrom entspricht dem an dem Verbrau­ cher 6 abgegebene Volumenstrom.

Bei einer Verdrehung aus der dargestellten Bezugsposition wird wiederum der Motor in Richtung geringeres Drehmoment (geringeres Hub­ volumen) und die Pumpe in Richtung größeres Hubvolumen verstellt. Bei einer Verdrehung um etwa 60° gegenüber der in Fig. 4 dargestellten Position wird an den Verbraucher etwa der doppelte Volumenstrom abge­ geben, wie er aus dem Hydrospeicher 4 entnommen wird. Entsprechend be­ trägt der Druck am Arbeitsanschluß A lediglich die Hälfte des im Hy­ drospeicher 4 wirkenden, konstanten Druckes. Bei einer Relativverdrehung um 90° ist die Versorgungsniere 30 mit ihrem Schei­ tel zum Totpunkt ausgerichtet, so daß praktisch keine Druckmittelentnahme aus dem Hydrospeicher 4 erfolgt; das Hubvolumen des Motors geht auf Null, während das Hubvolumen der Pumpe aufgrund der zwischen UT und OT verlaufenden Steuerniere maximal ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vier Steuernieren zuein­ ander läßt sich somit das Übersetzungsverhältnis äußerst präzise und mit hoher Geschwindigkeit einstellen, so daß eine hohe Dynamik er­ reichbar ist.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel können die Kolben 22 auf einem gemeinsamen Teilkreis oder zueinander versetzt ausgebildet werden, wobei das Zusammenwirken der Zylinder 26 und der inneren und/oder äußeren Steuernieren durch die Lage der Verbindungskanäle 40 (siehe Fig. 2) in der Zylindertrommel 24 bestimmt ist.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Hy­ drotransformator 2 durch eine Flügelzellenmaschine gebildet ist. Fig. 5 zeigt dabei einen stark schematisierten Schnitt durch das Gehäuse eine derartigen Flügelzellenmaschine, wobei der besseren Verständlich­ keit halber, lediglich die wesentlichen Bauelemente angedeutet sind. Hinsichtlich weiterer, detaillierter Ausführungen zum Aufbau von Flü­ gelzellenmaschinen sei auf die vorhandene Fachliteratur und die ein­ gangs genannte US 3,079,864 verwiesen.

Gemäß Fig. 5 hat die Flügelzellenmaschine einen Rotor 42, in dem eine Vielzahl von Flügeln 44 radial verschiebbar geführt sind. Gemäß Fig. 6, die eine Teilansicht in Radialrichtung auf einen Teilab­ schnitt eines Rotors 42 mit einem Flügel 44 und zwei stirnseitigen Steuerscheiben 46, 48 zeigt, sind die Flügel 44 sowohl in Umfangsrich­ tung als auch in Axialrichtung mit vergleichsweise großer Wandstärke ausgeführt. Jeder Flügel 44 ist in einem Radialschlitz 50 des Rotors aufgenommen, wobei durch den Radialschlitz 50 und den Boden des zuge­ ordneten Flügels 44 jeweils ein innerer Zylinderraum 52 begrenzt ist. Die Zu- und Abführung des Druckmittels zu den Steuernieren 30, 32, 34, 36 erfolgt über Druckkanäle 47. über die die Anschlüsse P, A, T mit den jeweils zugeordneten Steuernieren verbunden sind.

Jeder dieser inneren Zylinderräume 52 ist - wie im folgenden noch näher beschrieben wird - mit einem Druck beaufschlagbar, so daß die Flügel 44 gegen die Innenumfangsfläche eines exzentrisch zur Ro­ torachse angeordneten Hubrings 54 vorgespannt sind. Aufgrund der Ex­ zentrität des Hubrings 54 zum Rotor 42 werden zwischen zwei benachbar­ ten Flügeln 44, der Umfangsfläche des Rotors 42 und der Innenumfangs­ fläche des Hubrings 54 jeweils ein äußerer Zylinderraum 56 begrenzt. Das Volumen des äußeren Zylinderraums 56 hängt im wesentlichen von der Drehwinkelposition des Rotors 42 mit Bezug zum Hubring 54 ab. Entsprechend ist auch das Volumen des inneren Zylinderraums 52 von der Ra­ dialposition der Flügel 44 und damit ebenfalls von der Relativposition des Hubrings 54 mit Bezug zum Rotor 42 abhängig.

Die stirnseitige Abdeckung der Zylinderräume 56, 42 erfolgt über die beiden Steuerscheiben 46, 48, die in Axialrichtung gesehen ober­ halb (48) bzw. unterhalb (46) der Zeichenebene in Fig. 5 angeordnet sind.

Jede der Steuerscheiben 46, 48 hat zwei jeweils um 180° versetzte Steuernieren, wobei die in der Steuerscheibe 46 angeordneten Steuer­ nieren radial innerhalb der in der Steuerscheibe 48 angeordneten Steu­ ernieren liegen. In der Darstellung gemäß Fig. 5 sind die an der Steuerscheibe 46 ausgebildeten Steuernieren gestrichelt angedeutet. Die erste, untenliegende Tankniere 32 (Fig. 5) ist über den Tankan­ schluß T mit dem Tank 8 verbunden. Die in Fig. 5 untenliegenden, ge­ strichelt dargestellte Verbraucherniere 34 ist über den Arbeitsanschluß A mit dem Verbraucher 6, beispielsweise einem Hydrozy­ linder verbunden. Die Drehwinkelposition der Steuerscheibe 46 mit Be­ zug zum Hubring 54 ist unveränderbar.

In der anderen drehbar mit Bezug zum Hubring 54 gelagerten Steuer­ scheibe 48 sind die mit dem Hydrospeicher 4 verbundene Versorgungsniere 30 sowie die um 180° dazu versetzte, ebenfalls mit dem Tankanschluß T verbundene Niere 36 (gestrichelt in Fig. 5) ausge­ bildet. In der in Fig. 5 dargestellten Grundposition erstrecken sich die Nieren 30, 32, 34 und 36 jeweils im Bereich zwischen OT und UT. Dabei wird unter OT und UT die Position der Flügel 44 im Rotor ver­ standen, wobei mit UT diejenige Stellung bezeichnet ist, bei der der Flügel 44 in den Radialschlitz 50 eintaucht, so daß der innere Zylin­ derraum 52 minimal ist. Mit oberem Totpunkt wird die Stellung bezeich­ net, in der das Volumen des inneren Zylinderraums 52 maximal ist. Ge­ genüber der in Fig. 5 dargestellten Position läßt sich die Steuer­ scheibe 48 verdrehen, so daß die Drehwinkelposition der Steuernieren 30, 36 mit Bezug zum Hubring 54 zur Einstellung der Übersetzungsver­ hältnisses veränderbar ist.

Die innenliegenden Steuernieren 36, 34 der Pumpe 12 und die radial außen liegenden Steuernieren 30, 32 sind dem Motor 10 zugeordnet. Da die Steuernieren der Pumpe jeweils zwischen UT und OT angeordnet sind und die Umsteuerung somit im Bereich der Totpunkte erfolgt, ist die Pulsation der Pumpe eines derart aufgebauten Hydrotransformators mini­ mal. Aufgrund der unveränderlichen Relativposition des Hubrings 54 zur Steuerscheibe 46 arbeitet die Pumpe 12 immer mit maximalem Hubvolumen, das durch das Volumen der inneren Zylinderräume 52 definiert ist.

In der in Fig. 5 dargestellten Relativposition arbeitet auch der Motor 10 mit maximalem Hubvolumen, so daß das auf den Rotor 42 ausge­ übte Drehmoment maximal und somit der Druck am Verbraucheranschluß P ebenfalls maximal ist.

In der Darstellung gemäß Fig. 7 ist die das Hubvolumen des Motors 10 bestimmenden Steuerscheibe 48 gegenüber dem Hubring um etwa 45° in eine Zwischenposition verschoben. Durch die resultierende Verdrehung der Steuernieren 30, 32 gegenüber OT und UT wird das Hubvolumen des Motors verringert und somit das auf den Rotor 42 wirkende Drehmoment verringert, so daß sich am Verbraucheranschluß P ein mittlerer Druck einstellt.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Verdrehung der Steuerscheibe 48 um ca. 90° gegenüber der in Fig. 5 dargestellten Position sind die Scheitel der Steuernieren 30, 36 in der von den Totpunkten OT und UT vorgegebenen Linie angeordnet. Das bedeutet, daß das Hubvolumen des Motors 10 minimal ist und daß kein Druckmittel aus dem Hydrospeicher 4 entnommen wird. Entsprechend ist der Druck am Verbraucheranschluß P minimal.

Bei dem in den Fig. 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Steuerscheiben 46, 48 in Axialrichtung gesehen beidseitig des Rotors 42 angeordnet. Prinzipiell vorstellbar wäre auch eine Lösung, bei der beide Steuerscheiben auf einer Seite des Rotors ausgebildet sind, wobei eine Steuerscheibe unveränderbar und die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses durch Verdrehung der anderen Steuerscheibe erfolgt. Selbstverständlich können auch beide Steuerscheiben 46, 48 unabhängig voneinander verdrehbar im Gehäuse gelagert sein. Wesentlich ist, daß die Drehwinkelposition zum Hubring 54 veränderbar ist.

Die anhand der Fig. 5 bis 8 beschriebene Konstruktion mit rela­ tiv zueinander verdrehbaren Steuernieren läßt sich selbstverständlich auch bei anderen Verdrängermaschinen, beispielsweise einer Axialkol­ benmaschine gemäß Fig. 2 einsetzen. Das gleiche gilt für die Steuer­ nierenanordnung gemäß den Fig. 3 und 4, die prinzipiell auch bei Flügelzellenmaschinen oder anderen Verdrängermaschinen einsetzbar ist.

Prinzipiell vorstellbar ist es auch, die Steuernieren der Pumpe 12 verdrehbar anzuordnen und die Steuernieren des Motors 10 verdrehbar im Transformatorgehäuse zu lagern.

Die einzelnen Steuernieren können nochmals in mehrere Teilsteuernieren unterteilt werden, so daß ein Vielfaches von vier Steuernieren am Umfang verteilt ist.

In Fig. 9 ist ein Schaltschema dargestellt, gemäß dem ein Hy­ drotransformator 2 der vorbeschriebenen Bauart zur Ansteuerung eines Gleichgangzylinders 60 verwendet wird.

Der Druckanschluß des Verstellmotors 10 des Hydrotransformators 2 ist - wie bei den anhand von Fig. 1 beschriebenen Schaltungen - an einen Hydrospeicher 4 angeschlossen. Die beiden Anschlüsse des Pumpen­ teils 12 sind über eine erste Arbeitsleitung 62 und eine zweite Ar­ beitsleitung 64 mit jeweils einem Zylinderraum des Gleichgangzylinders 60 verbunden.

Zwischen dem Hydrospeicher 4 und dem Hydrotransformator 2 zweigt eine Druckleitung 66 ab, die ihrerseits in zwei Vorspannleitungen 68, 70 verzweigt. Die erste Vorspannleitung 68 ist mit der Arbeitsleitung 62 verbunden und führt zum Tank 8. Beidseitig des Knotenpunktes zwi­ schen der ersten Vorspannleitung 68 und dem Tank 8 ist jeweils eine Drossel 72 bzw. 74 vorgesehen. Die Drossel 72 wirkt dabei als Zuström­ drossel über die der Druckmittelstrom vom Hydrospeicher 4 zur Arbeits­ leitung 62 gedrosselt wird, während die Drossel 74 als Ablaufdrossel wirkt, die das Abströmen des Druckmittels von der Arbeitsleitung 62 zum Tank 8 beeinflußt.

In entsprechender Weise sind in der zweiten Vorspannleitung 70 ebenfalls Drosseln 72, 74 vorgesehen, die in Zulauf- und Ablaufrich­ tung wirken. Durch die beiden Drosselpaare 72, 74 wird das Druckmittel in den Arbeitsleitungen 62, 64 zwischen dem Hydrotransformator 2 und dem Gleichgangzylinder 60 eingespannt, so daß - wie eingangs erwähnt - die Steifigkeit des Antriebs erhöht und die hydraulische Eigenfrequenz vergrößert wird.

In dem Schaltschema gemäß Fig. 10 ist die Darstellung gemäß Fig. 9 dahingehend präzisiert, daß der Hydrotransformator 2 als Axialkol­ benmaschine ausgeführt ist.

Diese Axialkolbenmaschine entspricht im Grundaufbau derjenigen aus Fig. 2. D. h., im Gehäuse 14 des Hydrotransformators 2 ist eine Trieb­ welle 16 gelagert, deren Triebflansch 18 über Kugelgelenke 20 mit je­ weils einem Kolben 22 verbunden ist. Die freien Endabschnitte der Kol­ ben 22 sind in einer Zylindertrommel 24 gelagert, in der die Zylinder 26 ausgebildet sind. Die Steuerung der Druckmittelzufuhr- und abfuhr erfolgt über zwei konzentrische Steuerscheiben 46, 48, wobei die in­ nenliegende Steuerscheibe 46 von der ringförmigen Steuerscheibe 48 um­ griffen ist. Die Steuerscheibe 46 ist dem Pumpenteil 12 und die außen­ liegende Steuerscheibe 48 dem Verstellmotor 10 zugeordnet ist. Ähnlich wie bei den anhand der Fig. 5 bis 8 erläuterten Ausführungsbeispie­ len ist eine der Steuerscheiben im vorliegenden Fall die außenliegende Steuerscheibe 46 drehbar gelagert, während die innenliegende Steuer­ scheibe 46 feststehend ausgeführt ist. In letzterer sind die Steuer­ nieren 34 und 36 ausgebildet, über die die Zylinderräume 26 des Pum­ penteils 12 mit den Arbeitsleitungen 62, 64 verbunden sind.

In der außenliegenden, um +/-180° verdrehbaren Steuerscheibe 48 sind die mit dem Hydrospeicher 4 bzw. dem Tank T verbundenen Steuer­ nieren 30, 32 des Verstellmotors 10 ausgebildet.

Wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungs­ beispiel erläutert, wird durch die feststehende Steuerscheibe 46 er­ reicht, daß die Druckpulsation des Pumpenteils minimal ist. D. h., bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Grundkon­ zept mit zwei zueinander beweglichen Steuerscheiben aus Fig. 5 an­ stelle an einer Flügelzellenpumpe an einer Axialkolbenmaschine ver­ wirklicht. Selbstverständlich kann in kinematischer Umkehrung die drehbare Steuerscheibe auch mit dem Pumpenteil in Wirkverbindung ste­ hen.

Bei der Axialkolbenmaschine gemäß Fig. 10 wird eine geradzahlige Anzahl von Kolben 22 verwendet, wobei beispielsweise die Zylinderräume 26 der geradzahligen Kolben (2, 4, . . .) über Steuerkanäle 76 mit den Steuernieren 30, 32 der Steuerscheibe 48, während die Zylinderräume der ungradzahligen Kolben 22 (1, 3, . . .) über weitere Steuerkanäle 78 mit den Steuernieren 34, 36 der innenliegenden Steuerscheibe 46 ver­ bunden sind.

Die Funktion des in Fig. 10 dargestellten Hydrotransformators entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, so daß auf weitere Erläuterungen verzichtet wer­ den kann.

Anstelle der Drosseln 72, 74 können auch Blenden oder eine sonsti­ ge, ähnlich wirkende Ventilanordnung verwendet werden.

Offenbart ist ein Hydrotransformator, bei dem die Steuerung des Druckmittelzu- und abflusses über zumindest vier Steuernieren erfolgt, von denen zumindest zwei gegenüber einem Hubelement des als Verdrän­ germaschine ausgebildeten Hydrotransformators verdrehbar oder auf son­ stige Weise verstellbar sind. Ein derartiger Hydrotransformator läßt sich beispielsweise zur Ansteuerung eines Gleichgangzylinders oder eines Hydromotors in einem geschlossenen Kreislauf verwenden.

Claims (18)

1. Hydrotransformator mit einer Vielzahl von in einem Rotor (24, 42) gehaltenen Verdrängern (22, 44), die an einem Hubelement (18, 54) abgestützt sind und die bei einer Rotation des Rotors (24, 42) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar sind, und mit zumindest zwei ersten Steuernieren (30, 32, 34, 36), die zum Zu- und Abfluß von Druckmittel mit er­ sten Verdrängerräumen (26; 50, 56) und mit zumindest zwei zweiten Steuernieren (30, 32, 34, 36), die zum Zu- und Abfluß von Druck­ mittel mit zweiten Verdrängerräumen (26; 52, 56) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die ersten Steuernieren (30, 32) und das Hubelement (18, 54) relativ zueinander bewegbar sind.

2. Hydrotransformator nach Patentanspruch 1, wobei die ersten Steuer­ nieren (30, 32) auf einer ersten Steuerscheibe (48) und die zwei­ ten Steuernieren (34, 36) auf einer zweiten Steuerscheibe (46) an­ geordnet sind und die erste und zweite Steuerscheibe (46, 48) re­ lativ zueinander verdrehbar ist.

3. Hydrotransformator nach Patentanspruch 2, wobei die erste Steuer­ scheibe (48) einem Motorteil (10) und die zweite Steuerscheibe (46) einem Pumpenteil (12) des Hydrotransformators (2) zugeordnet ist.

4. Hydrotransformator nach Patentanspruch 3, wobei die zweite Steuer­ scheibe (46) in einer vorbestimmten Relativposition zum Hubelement (54) angeordnet ist, und daß die erste Steuerscheibe (48) gegen­ über der zweiten Steuerscheibe (46) verdrehbar ist.

5. Hydrotransformator nach Patentanspruch 4, wobei die Steuernieren (34, 36) der zweiten Steuerscheibe (46) im Bereich zwischen oberem Totpunkt (OT) und unterem Totpunkt (UT) mit den ersten Verdrängerräumen (26, 50) verbunden sind, während im oberen Tot­ punkt (OT) und im unteren Totpunkt (UT) keine Verbindung besteht.

6. Hydrotransformator nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei die Steuer­ nieren (30, 32) der ersten Steuerscheibe (48) in einer Grundposition im Bereich zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) mit den zweiten Verdrängerräumen (42, 56) verbunden sind und daß die Steuerscheibe (48) aus dieser Grundpo­ sition um mehr als 90° verdrehbar ist.

7. Hydrotransformator nach einem der Patentansprüche 4 bis 6, wobei die zweiten Steuernieren (34, 36) radial innerhalb der ersten Steuernieren (30, 32) ausgebildet sind.

8. Hydrotransformator nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, wobei die Verdrängerräume (52, 56) zwischen den Steuerscheiben (46, 48) angeordnet sind.

9. Hydrotransformator nach Patentanspruch 1, wobei die Steuernieren (30, 32, 34, 36) auf einem Steuerspiegel (28) ausgebildet sind, wobei die ersten Steuernieren (30, 32) radial außerhalb und etwa um 90° versetzt zu den zweiten Steuernieren (34, 36) angeordnet sind.

10. Hydrotransformator nach Patentanspruch 9, wobei zwei mit einem Verbraucheranschluß A oder einem Tankanschluß T verbundene Steuer­ nieren (32, 36; 34, 36) aus der ersten und zweiten Gruppe flui­ disch miteinander verbunden sind.

11. Hydrotransformator nach Patentanspruch 9 oder 10, wobei die Steu­ ernieren (30, 32, 34, 36) in der Grundposition des Steuerspiegels (28) symmetrisch zu der durch die Totpunktlagen (OT, UT) der Ver­ dränger vorgegebenen Achse angeordnet sind.

12. Hydrotransformator nach Patentanspruch 11, wobei die Steuernieren (30, 32, 34, 36) in Radialrichtung überlappend ausgebildet sind.

13. Hydrotransformator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schluckvolumen des Motorteils grö­ ßer als das Verdrängervolumen der Pumpe ist.

14. Hydrotransformator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Hydrotransformator als Flügelzellenmaschine oder als Axialkolbenmaschine ausgeführt ist.

15. Hydrotransformator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an einem Versorgungsanschluß (P) ein Hydrospeicher (4), ei­ nem Verbraucheranschluß (A) ein Verbraucher (6) und einem Tank- oder Niederdruckanschluß ein Tank (T) bzw. ein Rücklauf vom Ver­ braucher angeschlossen ist.

16. Hydraulische Schaltung mit einem Hydrotransformator (2) gemäß ei­ nem der vorhergehenden Patentansprüche, an den ein Verbraucher (60) über zwei Arbeitsleitungen (62, 64) angeschlossen ist, die jeweils über eine Stromventilanordnung (72, 74) vorgespannt ist.

17. Hydraulische Schaltung nach Patentanspruch 16, wobei die Stromven­ tilanordnung zwei Drosseln (72, 74) hat, über die die zugeordnete Arbeitsleitung (62, 64) mit einer Druckversorgung (4) oder einen Tank (T) verbunden ist.

18. Hydraulische Schaltung nach Patentanspruch 16 oder 17, wobei der Verbraucher ein Gleichgangzylinder (60) oder ein Hydromotor ist.