DE10043451B4

DE10043451B4 - Einteilige Proportionalregelung

Info

Publication number: DE10043451B4
Application number: DE10043451A
Authority: DE
Inventors: James D. Ryken; David D. Dirks; Wilhelm Gollner; Doug Kardell
Original assignee: Sauer Danfoss Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: CN1296134A; DE10043451A1; CN1212481C; JP2001123939A; US6260468B1

Abstract

Schwenkbare Schrägachsen-Hydraulikeinheit (10) mit verstellbarer Verdrängung aufweisend: ein Gehäuse (12); ein schwenkbar in dem Gehäuse montiertes und eine Schwenkachse (24) aufweisendes Schwenkelement (14); einen Regelungsmechanismus (22) mit geschlossenem Regelkreis in der Einheit (10) zum Verstellen der hydraulischen Verdrängung der Einheit (10); wobei der Regelungsmechanismus (22) ein Steuergehäuse (38) mit einer Steuerbohrung (51) darin und ein in der Bohrung (51) montiertes Steuerventil (50) enthält, das Steuerventil (50) eine Druckrückkopplungshülse (92) und einen innerhalb der Bohrung (51) montierten Steuerkolben (52) umfaßt, wobei ein Ende (54) verschiebbar in der Steuerbohrung (51) montiert ist und das andere Ende (87) aus dem Steuergehäuse (38) hervorsteht und an der Druckrückkopplungshülse (92) anliegt, um an dem Schwenkelement (14) anzuliegen; mindestens eine Servobohrung (34) mit einem Servokolben (33) darin in dem Steuergehäuse (38) in hydraulischer Verbindung mit der Bohrung (51) und dem Steuerkolben (52); wobei der Kolben (33) mit dem Schwenkelement (14) für die Drehung desselben in eine...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hydraulikeinheiten in Schrägachsenbauart. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Schrägachsen-Hydraulikeinheit einer Bauart mit Schwenkjoch.

Schrägachsen-Hydraulikeinheiten sind bereits seit vielen Jahren bekannt. Die verbreitetste oder übliche von den Schrägachsenkonstruktionen verwende _seinen "Kippblock", wie er von Foster in dem U.S. Patent Nr. US 4,893,549 offenbart wird. Eine drehbare zylindrische Trommel oder ein Zylinderblocksatz weist mehrere axiale Kolben darin auf, die auf einem nicht drehbaren Schwenkschlitten auf dessen Rotationsachse gelagert sind. Der Schwenkschlitten weist eine einer konkaven Schwenkschlittenführungsfläche gegenüberliegend angeordnete konvexe Endfläche auf. Die Schwenkschlittenführungsfläche ist Teil des Schwenkschlittengehäuses, welches an dem Maschinengehäuse mittels einer Flanschverbindung befestigt ist. Der Zylinderblocksatz und der Schwenkschlitten neigen oder schwenken sich, um die Verdrängung zu verstellen.

Andere Schrägachseneinheiten nutzen eine "Schwenkjoch"-Konfiguration. Der Zylinderblocksatz wird von dem Joch getragen und schwenkt mit diesem, um die Verdrängung der Einheit zu verstellen.

Ein Regelungsmechanismus der früheren Anwendungen umfaßt einen Schrittmotor, ein Regelelement mit länglicher Bohrung, einen länglichen Hydraulikfluidsteuerkolben, der beweglich in der Bohrung montiert ist und von den zusammenwirkenden Funktionen des Schrittmotors und des Rückkopplungssignals auf den Steuerkolben positioniert wird, welcher ein Nockenelement auf einem schwenkbaren Joch abtastet, und zwei Servokolben, die mechanisch wirksam mit dem Joch verbunden sind und hydraulisch mit dem Fluidsteuerkolben verbunden sind.

In der Offenlegungsschrift DE 24 19 495 A wird eine Regelvorrichtung für hydraulische Maschinen, insbesondere Axialkolbenpumpen, mit verstellbarem Verdrängungsvolumen offenbart. Die Regelvorrichtung weist einen unter Federvorspannung stehenden Ventilorgan auf, mittels dessen eine hydraulische Stelleinrichtung zwecks Verstellen des Verdrängungsvolumens betätigbar ist und an dem das eine Ende eines zweiarmigen Hebels angreift, auf den eine dem Arbeitsdruck der Maschine proportionale Kraft auf einer auf ein Hebelgelenk bezogenen Hebelarmlänge einwirkt, die durch Verschieben des Gelenks änderbar ist. Das verschiebbare Gelenk ist in Abhängigkeit von dem augenblicklich eingestellten Verdrängungsvolumen der Maschine mittels einer Druckeinrichtung gegen ein Anzeigeorgan nachgiebig vorgespannt. Eine Regelanordnung für den Höchstdruck der Maschine besteht aus einem gehäusefesten, jedoch einstellbaren Anschlag mittels dessen zwecks Vorgabe eines gewünschten Mindestwertes der Hebelarmlänge und damit des Wertes des Höchstdrucks der Maschine die Länge der Gleitbewegung des Gelenks beschränkbar ist.

Die Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht in dem Ersatz des Schrittmotors durch ein Proportional-Magnetfluidventil, welches betrieblich mit einem Computer verbunden ist.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, daß das eine Ende des Fluidsteuerkolbens von dem Magnetfluidventil beeinflußt wird, und das andere Ende von einem federbelasteten Rückkopplungssystem beeinflußt wird, das betrieblich mit dem Joch oder Schwenkelement des Systems verbunden ist.

Die Aufgabe wird durch die Hydraulikeinheit gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Schrägachsen-Hydraulikeinheit mit verstellbarer Verdrängung ein Schwenkelement zur schwenkbaren Lagerung eines Zylinderblocks, der schwenkbar in einem festen Rahmen der Einheit moniert ist. Ein geschlossener Regelungsmechanismus zur Verstellung der hydraulischen Verdrängung der Einheit und welcher mindestens einen beweglichen Servokolben enthält ist betrieblich mit dem Schwenkelement verbunden. Der Regelungsmechanismus enthält ein Rückkopplungselement, das betrieblich mit dem Schwenkelement verbunden ist, um so eine Rückkopplung an den Regelungsmechanismus bezüglich der Schwenkstellung des Schwenkelements in Bezug auf den festen Rahmen zu liefern. Der Regelungsmechanismus bewirkt eine Verstellung des Servokolbens, um die Schwenkstellung des Schwenkelements zu verändern. Der Regelungsmechanismus umfaßt eine längliche Bohrung mit einem darin montierten Steuerventil. Das Rückkopplungselement weist eine Hülse abstromseitig von einem verschiebbar in die Bohrung eingebauten Steuerkolben auf, wobei das eine Ende verschiebbar in der Steuerbohrung montiert ist, und das andere Ende aus dem Steuergehäuse hervorsteht. Dieses Ende greift an der Druckrückkopplungshülse an, um an dem Schwenkelement anzugreifen. Zwei in einem Abstand angeordnete Servobohrungen mit darin befindlichen Servokolben in dem Steuergehäuse stehen mit der Bohrung und dem Steuerkolben in hydraulischer Verbindung. Die Kolben sind betrieblich mit dem Schwenkelement verbunden, um dasselbe in einer von zwei Richtungen gemäß Festlegung durch die Position des Steuerkolbens in der Bohrung zu drehen.

Der Steuerkolben wird in Längsrichtung in der einen Richtung durch die Verdrängungsrückkopplungshülse betätigt, während hydraulischer Druck auf das andere Ende aufgegeben wird. Der hydraulische Druck wird durch einen Computer vorgegeben, der mit einem Proportional-Magnetfluidventil verbunden ist, das von dem Computer gesteuert wird und in einem betrieblichen Fluidkontakt mit dem einem Ende des Steuerkolbens steht.

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Schrägachsen-Hydraulikeinheit, an welche das Regelungssystem dieser Erfindung angepaßt werden kann. Abschnitte des Gehäuses wurden zur Verdeutlichung entfernt, um einige von den Innenkomponenten besser zu zeigen.
2 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie 2-2 von 1, in welcher die Gehäuseabschnitte wieder vervollständigt sind;
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Bereichs 3-3 von 2, wobei das Magnetfluidventil und der Computer in schematischer Form dargestellt sind;
4 ist eine perspektivische Ansicht der Betätigungselementstangenanordnung und eines Kugel/Lagerpfannen-Gelenks;
5 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung von 4; und
6 ist eine Teilschnittansicht ähnlich der rechten Seite von 3, welche eine alternative Konstruktion darstellt.
1 stellt eine Schrägachsen-Hydraulikeinheit 10 mit verstellbarer Verdrängung dar. Die Schrägachseneinheit 10 enthält einen Stützrahmen oder ein Gehäuse 12, von dem vieles für die Erfindung irrelevant ist und deswegen weggeschnitten wurde, um eine bessere Sicht auf die Innenkomponenten zu ermöglichen. Die Verdrängung der Schrägachseneinheit 10 wird mittels eines einteiligen Schwenkjochs 14 verstellt, welches einen herkömmlichen Zylinderblock oder Zylinderblocksatz 16 lagert, der antriebsmäßig mit einer Hauptwelle 104 verbunden ist, die drehbar im Gehäuse 12 gelagert ist. Das Joch 14 wird durch eine Regelung 22 (1) gezwungen, sich um zwei gegenüberliegende Schwenkarme 18, 20 zu schwenken oder zu drehen. Bevorzugt teilen sich die Arme 18, 20 eine gemeinsame feste Schwenkachse 24.
Wie es am besten in den 1, 2, 4 und 5 zu sehen ist, ist ein universelles Kugel/Lagerpfannen-Gelenk 26 betriebsmäßig mit dem Joch 14 bei dem Arm 18 verbunden. Eine langgestreckte Betätigungselementstange 28 weist eine im wesentlichen äußere sphärische Oberfläche 30 an einem ersten Ende und einen Servokolben 32 an dem zweiten Ende auf. Wie in 1 zu sehen, ist eine ähnliche Betätigungselementstange 28 auf der anderen Seite der Rotationsachse 24 vorgesehen. Die Servokolben 32 sind verschiebbar, dicht und kippbar jeweils in Servobohrungen 34 und 36 eines einteiligen Steuergehäuses 38 (3) aufgenommen. Obwohl viele Anordnungen möglich sind, weist jede von den Servobohrungen 34, 36 bevorzugt eine zentrale Achse auf, welche in Bezug auf die der anderen Servobohrung geneigt ist. Die Bohrungen 34, 36 müssen nicht zueinander parallel sein. Demzufolge können die Mittenachsen der Servobohrungen 34, 36 eine Vielfalt von Winkeln in Bezug auf den Arm 18 bilden. Eine Verdrängungssteuerung könnte sowohl am Arm 20 als auch oder stattdessen am Arm 18 ausgeübt werden. Somit kann Kraft mittels der Betätigungselementstange 28 aufgebracht werden, um das Joch 14 um mehr als 90° zu schwenken oder zu drehen. Mit anderen Worten, es wird ein Bereich bis mehr als ± 45° aus der Neutral- oder Mittelpunktstellung bereitgestellt. Die Steuerkräfte auf das Joch 14 können in mehr als zwei Ebenen liegen.
In 1 (in welcher das Steuergehäuse 38 entfernt wurde) sind die verschiedenen Komponenten, die für die Betätigung des Schwenkjochs 14 durch die Servokolben erforderlich sind, dargestellt. Ein Lagerpfannenelement 40 (5) ist zwischen die sphärische Oberfläche 30 der Betätigungselementstange 28 und den Steuerarm 18 auf dem Joch 14 (1) eingefügt.
Die Betätigungselementstange 28 weist im allgemeinen eine dem Servokolben 32 gegenüberliegendes Kugelende oder eine sphärische Oberfläche 30 auf. Die Stange 28 besitzt einen kräftigen Querschnitt und ist aus einem festen Material mit ausreichender Festigkeit geformt, um den erwarteten Belastungen und Beanspruchungen zu widerstehen. Die Betätigungselementstange 28 weist einen hinter dem Kugelende 30 angrenzenden reduzierten Durchmesserabschnitt 44 (5) auf. Ein sich verjüngender Abschnitt 46 verbindet den reduzierten Durchmesserabschnitt 48 mit dem Zwischenabschnitt der Betätigungselementstange 28.
Der Berührungsabschnitt des Kugel/Lagerpfannen-Gelenks enthält eine Lagerpfanne 48, welche bevorzugt aus einem schmiedbaren Material, wie z.B. Messing, aufgebaut ist. Die Lagerpfanne 48 ist an dem Kugelende 30 der Betätigungselementstange 28 angequetscht oder anderweitig befestigt, so daß die Lagerpfanne 48 frei um das Kugelende 30 herum schwenkt. Die Abschnitte mit reduziertem Durchmesser und die Verjüngung 44, 46 tragen zur Bereitstellung eines Freiraums für die Relativbewegung der Kugel und der Lagerpfanne bei. Die Lagerpfanne 48 weist im wesentlichen eine zylindrische Außenoberfläche, ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende auf.
Die Regelung 22 umfaßt auch ein Proportional-Magnethydraulikventil 50, das entfernt von einer Steuerbohrung 51, angeordnet ist, welche zwischen den Servobohrungen 34 und 36 in dem Steuergehäuse 38 (3) angeordnet ist. Das Proportional-Magnethydraulikventil 50 steht betrieblich mit einem linear betätigten Hydraulikverdrängungs-Steuerkolben 52 in Eingriff, welcher die notwendige herkömmliche und geeignete Kanalführung zur Führung von Öl zu den Servobohrungen 34, 36 auf der Basis von Fluiddruckbefehlen aus dem Computer 102, welcher das Magnetventil steuert, aufweist.
Der Steuerkolben 52 weist einen flachen Kopf 54 und zwei beabstandete Flansche 56 und 58 auf. Eine erste Fluidkammer 60 ist zwischen dem Kopf 54 und dem Flansch 56 angeordnet; ein zweite Fluidkammer 62 ist zwischen den zwei Flanschen 56 und 58 angeordnet. Ein Fluidkanal 64 ist mit der Servobohrung 36 und dem Servokolben 32 verbunden. Ein Fluidkanal 70 ist mit der Servobohrung 34 und dem Servokolben 33 verbunden. Fluidkanäle 76 und 78 sind mit einem (nicht dargestellten) Fluidreservoir verbunden und ein Fluidkanal 80 ist mit einer (nicht dargestellten) normalerweise unter konstanten Druck stehenden Hydraulikfluidquelle mit verbunden.
Die Schlaucharmatur 82 (3) ist in dem anstromseitigen Ende der Bohrung montiert und ist für die Verbindung mit einer Hydraulikleitung 84 angepaßt, welche wiederum mit dem Magnetventil 50 verbunden ist. Die Bohrung 86 in der Armatur 83 liefert Druckfluid von dem Ventil 50 auf den flachen Kopf 54 des Steuerkolbens 52. Das vordere Ende 86A der Armatur 82 kann die Rückwärtsbewegung des Steuerkolbens 52 durch das Anstoßen des Steuerkolbenkopfes 54 begrenzen.
Das Ende 87 des Steuerkolbens 52 ist in beliebiger geeigneter Weise an einer Federführung 88 befestigt, welche verschiebbar in einer vergrößerten Bohrung 90 in dem Steuergehäuse 38 montiert ist. Das Ende 87 ragt in die Bohrung 90 hinein. Eine Verdrängungsrückkopplungshülse 92 ist verschiebbar in der Bohrung 90 montiert und weist eine äußere hervorstehende Kontaktoberfläche 94 auf, welche typischerweise mit der Jochnockenelement 95 (2) in Kontakt steht. Die Hülse 92 ist hohl und an ihrem anstromseitigen Ende offen. Eine Feder 96 stützt sich zwischen dem inneren Ende 98 der Hülse 92 und einem Flansch 100 auf der Federführung 88 ab.
6 stellt eine alternative Konstruktion für die auf der rechten Seite von 3 dargestellte Armatur 82 dar. Ein Stopfen 104 ist in das Ende der Bohrung 51 anstelle der Schlaucharmatur 82 eingeschraubt. Der Stopfen 104 weist eine Innenoberfläche 106 auf, welche die Bewegung des Steuerkolbens 52 in einer Richtung nach rechts in der. Bohrung 51 begrenzt. Der vor dem Stopfen 104 und um den Kopf 54 des Steuerkolbens 52 vorhandene Raum 108 steht mit dem Kanal 110 in Verbindung, welcher fluidmäßig mit dem Magnetventil 50 anstelle des in 3 dargestellten Fluidschlauchs 84 verbunden ist.
Im Betrieb steuert der Computer 102 das Ventil 50 bezüglich des an das Ende 54 des Steuerkolbens 52 anzulegenden Drucks. Gleichzeitig erfaßt die Verdrängungsrückkopplungshülse 92 die Schwenkstellung des Jochs 14 von den Nockenelement 95 und es wird über die Hülse 92, die Feder 96 und den Flansch 100 auf der Federführung 88 eine Kraft auf das Ende 87 des Steuerkolbens 52 übertragen. Der Steuerkolben 52 findet daraufhin seinen Platz in der Bohrung 51 aus den sich aus auf das Ende 87 ausgeübten resultierenden Längskräften und dem hydraulischen Fluiddruck auf den Kopf 54 aus dem Magnetventil. Das Ventil 50 steuert den Steuerkolben 52 und die Rückkopplungshülse 92 liefert nur eine Reaktionskraft. Das aus dem Kanal 86 in die Bohrung 51 eintretende unter Druck stehende Hydraulikfluid ermöglicht eine Fluidübertragung zu der Servobohrung 34, wenn der Steuerkolben in 2 und 3 nach links bewegt wird, um die Kammer 62 zu dem Kanal 70 (3) auszurichten. Ebenso bewegt sich das Fluid zu der Bohrung 32, wenn die sich auf den Steuerkolben 52 ergebenden Längskräfte die Fluidkammer 62 in eine Fluidverbindung mit dem Kanal 64 bewegen. Die Servokolben 32 und 33 reagieren offensichtlich auf die Fluidströmung durch die Kanäle 64 bzw. 70, um das Joch in die von dem Computer 102 geforderte Stellung zu kippen.

Claims

Schwenkbare Schrägachsen-Hydraulikeinheit (10) mit verstellbarer Verdrängung aufweisend: ein Gehäuse (12); ein schwenkbar in dem Gehäuse montiertes und eine Schwenkachse (24) aufweisendes Schwenkelement (14); einen Regelungsmechanismus (22) mit geschlossenem Regelkreis in der Einheit (10) zum Verstellen der hydraulischen Verdrängung der Einheit (10); wobei der Regelungsmechanismus (22) ein Steuergehäuse (38) mit einer Steuerbohrung (51) darin und ein in der Bohrung (51) montiertes Steuerventil (50) enthält, das Steuerventil (50) eine Druckrückkopplungshülse (92) und einen innerhalb der Bohrung (51) montierten Steuerkolben (52) umfaßt, wobei ein Ende (54) verschiebbar in der Steuerbohrung (51) montiert ist und das andere Ende (87) aus dem Steuergehäuse (38) hervorsteht und an der Druckrückkopplungshülse (92) anliegt, um an dem Schwenkelement (14) anzuliegen; mindestens eine Servobohrung (34) mit einem Servokolben (33) darin in dem Steuergehäuse (38) in hydraulischer Verbindung mit der Bohrung (51) und dem Steuerkolben (52); wobei der Kolben (33) mit dem Schwenkelement (14) für die Drehung desselben in eine von zwei Richtungen gemäß Festlegung durch die Stellung des Steuerkolbens (52) in der Bohrung (51) verbunden ist; einen an dem Schwenkelement (14) befestigten Hydraulikzylinderblock (16), ein fluidmäßig mit dem anderen Ende (54) des Steuerkolbens (52) verbundenes Proportional-Magnetfluidventil (50), wobei das Magnetfluidventil (50) mit einem Computer (102) verbunden und von diesem betätigt ist, wodurch der Computer (102) das Fluidventil (50) steuert und somit den an das andere Ende des Steuerkolbens (52) angrenzenden Fluiddruck, und die Verdrängung des Servokolbens (33), des Schwenkelements (14) und die Stellung des Zylinderblocks (16) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Druckrückkopplungshülse (92) eine Kompressionsfeder (96) enthält, und deren Gleiten zu dem vorstehenden Ende (87) des Steuerkolbens (52) zu ermöglichen, wenn die Schwenkung des Schwenkelements (14) gegen die Hülse (92) drückt, um einen Längsdruck auf den Steuerkolben (52) gegen den auf das andere Ende (54) des Steuerkolbens (52) von dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Magnetfluidventil (50) ausgeübten hydraulischen Druck zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Regelungsmechanismus (22) Fluidkanäle (64, 70) in Verbindung mit der Steuerbohrung (51) und Fluidkammern (60, 62) um den Steuerkolben (52) herum beinhaltet, um dem Steuerkolben (52) in variierenden Längsstellungen zu ermöglichen, Hydraulikfluid zur Bewegung des Servokolbens (33) an die Servobohrung (34) zu führen und dadurch die hydraulische Verdrängung der Einheit (10) zu verstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwei Servobohrungen (34, 36) mit Servokolben (32, 33) darin fluidmäßig mit dem Steuerventil (50) verbunden sind und die Servokolben (32, 33) mit dem Schwenkelement (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Anschlagelement (86A) in der Steuerbohrung (51) die Bewegung des Steuerkolbens (52) in einer Richtung von Druckrückkopplungshülse (92) weg begrenzt.