DE10135800B4 - Druckmittelaggregat mit kontinuierlich steuerbarem Strömungsquerschnitt in der Umsteuerung - Google Patents

Abstract

Druckmittelaggregat, insbesondere Hydromotor oder Hydropumpe, in Axialkolbenbauweise, welches einen in einem Gehäuse (1b) angeordneten Zylinderblock (2) mit einer Mehrzahl von in Zylindern (3) geführten Kolben (4) aufweist, die gleitbar an einer Schwenkscheibe (5) abgestützt sind, wobei die Zulaufbohrungen (12) des Druckflüssigkeits- Ein- und/oder Austritts zu und von den Zylindern (3) des Zylinderblocks (2) in dem Endgehäuse (1a) bezüglich ihres Strömungsquerschnittes kontinuierlich steuerbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Druckmittelaggregat, insbesondere einen Hydromotor oder eine Hydropumpe, in Axialkolbenbauweise, welches einen in einem Gehäuse angeordneten Zylinderblock mit einer Mehrzahl in Zylindern geführten Kolben aufweist.
• Allgemein bewegen sich die in den Zylindern geführten Kolben im Betrieb zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt, wobei sich dort jeweils die Bewegungsrichtung der beweglichen Kolben umkehrt. Die Zylinder stehen durch den Umlauf des Zylinderblocks dabei abwechselnd mit der Niederdruckseite bzw. mit der Hochdruckseite des entsprechenden Druckmittelaggregats in Verbindung. Durch die Kompression beim Übergang von Niederdruck auf Hochdruck bzw. durch die Dekompression beim Übergang von Hochdruck auf Niederdruck ergibt sich eine Verzögerung, die abhängig von der Winkelgeschwindigkeit des Zylinderblocks und der Druckdifferenz, sowie der Öffnungsquerschnitte ist.
• Durch die in der Druckflüssigkeit während des Betriebs stattfindende Kompression und Expansion sowie durch die gegebenenfalls auftretende Kavitation der Druckflüssigkeit geht üblicherweise bei jedem Umlauf des Zylinderblocks eines Druckmittelaggregats Energie verloren. Ferner kommt es beim Umlauf des Zylinderblocks beim Übergang zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite oder umgekehrt zu Druckspitzen, welche die Lebensdauer verringern, Geräusche verursachen und der zuverlässigen Funktion der entsprechenden Druckmittelaggregate entgegenwirken.
• Zur Steuerung des Druckflüssigkeitsumlaufs in Druckmittelaggregaten dient im Stand der Technik üblicherweise eine Ventilplatte, welche zwischen dem Zylinderblock und dem Endabschnitt des eigentlichen Gehäuses des Druckmit telaggregats mit den darin befindlichen Zu- und Abflussbohrungen angeordnet ist.
• So ist beispielsweise aus DE 195 03 617 C2 ein Druckmittelaggregat der oben erwähnten Art bekannt, wobei durch geeignete Verdrehung der mit Steueröffnungen versehenen Ventilplatte eine Veränderung der Druckverhältnisse zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite möglich ist, wodurch eine Verschwenkung der Schwenkscheibe und somit eine Schluckvolumen-Variierung des Druckmittelaggregates erzielt werden kann. Die Änderung der Druckverhältnisse wird dabei über die vorgegebene Geometrie der Steueröffnungen der Ventilplatte erreicht, durch welche sich unterschiedliche Strömungsquerschnitte für den Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritt zu und von den Zylindern ergeben. Durch die vorgegebene Geometrie der Steueröffnungen ist eine Anpassung jedoch nur für begrenzte Betriebsparameter, insbesondere bezüglich der Druck- und Volumenverhältnisse, gegeben.
• Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1013 928 A2 ist eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheiben-Bauweise bekannt, welche ebenfalls mit einer sogenannten Steuerscheibe zwischen der Anschlussplatte des Gehäuses und der umlaufenden Zylindertrommel versehen ist, wobei die Kolbenbohrungen der Zylindertrommel durch den Umlauf der Zylindertrommel abwechselnd mit der Niederdruck-Anschlussniere und Hochdruck-Anschlussniere der Steuerscheibe in Überdeckung gebracht werden und dabei einen die Niederdruck-Anschlussniere von der Hochdruck-Anschlussniere trennenden Steg in der Steuerscheibe überstreichen, und wobei zur Vermeidung einer Druckpulsation in der Anschlussplatte eine über einen Kanal mit der überstreichenden Kolbenbohrung verbundene sogenannte Umsteuerkapazität vorgesehen ist. Eine kontinuierliche Anpassung des Strömungsquerschnittes des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts in der Anschlussplatte des Gehäuses ist dabei jedoch nicht möglich.
• Aus der DE 198 18 721 A1 ist es zur Minderung der Geräuschentwicklung und zur Vermeidung von Kavitationsschäden bekannt, in der Ventilplatte im Bereich zwischen der Hochdruck- und der Niederdrucköffnung Zusatzöffnungen vorzusehen, die mit einer gesteuerten oder geregelten Vorkompressionsein richtung bzw. einer entsprechenden Entlastungseinrichtung verbunden sind. Damit wird erreicht, dass sich beim Übergang von der Niederdruck- zur Hochdruck-Steueröffnung ein kontinuierlicher Druckaufbau und beim Übergang von der Hochdruck- zur Niederdruck-Steueröffnung analog ein stetiger Druckabbau einstellt.
• Aus der DE 199 08 826 A1 ist ein Servokolben zu Verstellung der Taumelscheibe einer Pumpe bekannt. Der Servokolben weist einen Schlitz auf, der sich longitudinal längs des Servokolbens erstreckt und in seiner Tiefe spitz zuläuft. Wenn die Pumpe auf minimale Verdrängung verstellt und der Servokolben angesteuert von einer Lastfühlsteuerung voll ausgefahren ist, ergibt sich aufgrund des Schlitzes ein erhöhter Leckagebetrag und damit eine verbesserte Dämpfung im Bereich geringer Verdrängung und im Bereitschaftszustand der Pumpe.
• Allgemein führen die erwähnten auftretenden Druckspitzen zu erheblichen Belastungen der Bauteile von Druckmittelaggregaten sowie zu erhöhter Reibung, was wiederum einen erhöhten Verschleiß nach sich zieht. Ferner können durch schlagartig auftretende Druckbelastungen Schwingungen auftreten, welche wiederum die Lebensdauer verringern sowie zu Geräuschbildung führen. Auch ist es bei der im Stand der Technik üblichen Verwendung von Ventilplatten/Steuerscheiben erforderlich, diese aufgrund ihrer festgelegten Geometrie, welche die Strömungsquerschnitte nur für bestimmte Lastkollektive bzw. Betriebsparameter optimiert vorgibt, bei Änderung des Einsatzbereichs zu wechseln. Insbesondere ist durch die vorgegebene Geometrie solcher Ventilplatten ein Wechsel dieser Platten zur Drehrichtungsumkehr erforderlich.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere über das gesamte Kennfeld eines Druckmittelaggregats, das Auftreten von Druckspitzen und von Kavitation zu vermeiden, den Wirkungsgrad durch Optimierung der Druck- und Volumenverhältnisse zu verbessern, die Lebensdauer bzw. die Belastbarkeit zu erhöhen und gegebenenfalls das Bauvolumen zu verringern, wobei auch unter Umständen die übliche Ventilplatte ganz entfallen können soll.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Druckmittelaggregat gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Weitere zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
• Gemäß der Erfindung weist das Druckmittelaggregat, das insbesondere ein Hydromotor oder eine Hydropumpe ist, einen in einem Gehäuse angeordneten Zylinderblock auf, welcher eine Mehrzahl von Zylindern besitzt, in denen Kolben in bekannter Weise geführt sind. Die Kolben sind gleitend an einer Schwenkscheibe abgestützt. Der Zylinderblock ist dabei Bestandteil eines Rotors, welcher gegenüber einem Stator drehbar gelagert ist, wobei der Zylinderblock auf einer Welle gelagert ist, welche ebenfalls Bestandteil des Rotors ist. Auf der der Schwenkscheibe gegenüber liegenden Seite des Zylinderblocks ist dessen Steuerfläche vorgesehen, auf der sich Öffnungen befinden, die mit den Zylinderbohrungen in Verbindung stehen. Bei Drehung des Zylinderblocks überstreichen diese Öffnungen entlang der von ihnen beschriebenen Kreisbahn Öffnungen, welche die Verteilung der Hydraulikflüssigkeit zu den jeweiligen Hochdruck- und Niederdrucknieren in dem Endgehäuses des Druckmittelaggregats ermöglichen.
• Erfindungsgemäß sind die Bohrungen des Druckflüssigkeitsein- und/oder – austritts zu und von den Zylindern des Zylinderblocks in dem Endgehäuse bezüglich ihres Strömungsquerschnittes kontinuierlich steuerbar.
• Das Druckmittelaggregat ist dabei insbesondere in Axialkolbenbauweise ausgeführt. Ferner kann das Druckmittelaggregat gegebenenfalls eine Verstellung des Hubvolumens, insbesondere durch Verschwenken der Schwenkscheibe, ermöglichen.
• Gegenüber den üblicherweise im Stand der Technik durch Ventilplatten mit fester Geometrie vorgegebenen Steuerung von Druckmittelaggregaten, bietet die kontinuierliche Steuerbarkeit der Strömungsquerschnitte der Bohrungen des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts zu und von den Zylindern des Zylinderblocks eine wirksame Reduzierung von Druckspitzen, eine Verbesse rung des volumetrischen Wirkungsgrads, sowie eine Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgrads aufgrund der Steuerbarkeit von Kompressibilitätseffekten in der Druckflüssigkeit. Die kontinuierliche Steuerbarkeit des Strömungsquerschnitts ist dabei so zu verstehen, dass der Strömungsquerschnitt zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert vollkommen variabel ist, ohne dass er durch eine vorgegebene feste Geometrie, wie sie im Stand der Technik beispielsweise durch bestimmte Öffnungen bzw. Öffnungsformen in einer Ventilplatte gegeben ist, festgelegt ist, wobei er lediglich im wesentlichen durch geeignete Betriebsparameter, wie insbesondere die Druck- und/oder Volumenverhältnisse und/oder die Stellung der Schwenkscheibe, bestimmt ist, und/oder dass die Steuerung des Strömungsquerschnittes in kontinuierlicher Art zeitlich auf etwaige Änderungen von Betriebsparametern hin bzw. in Abhängigkeit der Betriebsparameter erfolgen kann, d.h. während des Betriebs steuerbar bzw. auch regelbar sein kann. Da die Bohrungen des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts bezüglich ihres Strömungsquerschnitts in dem Endgehäuse des erfindungsgemäßen Druckmittelaggregates kontinuierlich steuerbar sind, ist es ferner möglich, ohne allzu großen konstruktiven Aufwand, insbesondere ohne allzu großen zusätzlichen Platzbedarf die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen. Insbesondere ist es somit auch möglich, gegebenenfalls auf eine Ventilplatte vollständig zu verzichten.
• Dabei kann eine Hubvolumenverstellung auch durch die erfindungsgemäße Gestaltung eines entsprechenden Druckmittelaggregats realisiert werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, zusätzlich zwischen dem Zylinderblock und dem Endgehäuse eine Ventilplatte mit Steueröffnungen vorzusehen, wobei dann insbesondere deren Steueröffnungen kontinuierlich gesteuert werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann jedoch der Zylinderblock unmittelbar an eine entsprechende Fläche des Endgehäuses angrenzen, wobei diese Fläche dann als Lauffläche des Zylinderblocks dient. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und verschleißarme Bauweise des erfindungsgemäßen Druckmittelaggregats.
• Besonders bevorzugt ist es, falls der Zylinderblock aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften besteht. Durch Werkstoffe mit entsprechend guten Gleiteigenschaften ist eine zusätzliche Verschleißminimierung möglich, welche insbesondere dann besonders zum Tragen kommt, falls ein ventilplattenloser Aufbau des erfindungsgemäßen Druckmittelaggregats vorgesehen ist.
• Eine weitere Ausführungsform beinhaltet eine Ventilplatte, die zwischen dem Zylinderblock und dem Endgehäuse angeordnet ist und die Durchgangsbohrungen enthält, um den Kolbenraum mit dem Ventil über die Zulauf- bzw. Ablaufbohrung zu verbinden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind eine Bohrung oder mehrere Bohrungen des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts einem Ventilkolben zugeordnet, welcher der Steuerung des entsprechenden Strömungsquerschnitts dient, wobei der Ventilkolben in einer Kolbenbohrung des Endgehäuses angeordnet ist, wobei die Kolbenbohrung mit einer entsprechenden Druckniere (Hochdruckniere oder Niederdruckniere) und mit der Bohrung bzw. den mehreren Bohrungen des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts in Verbindung steht. Dabei kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Ventilkolben einen Schlitz in seiner Längsrichtung aufweisen.
• Insbesondere kann der Ventilkolben zur kontinuierlichen Steuerung des Strömungsquerschnittes von einem Aktuator betätigbar sein, wobei der Aktuator vorzugsweise von einer elektronischen Steuereinheit elektrisch ansteuerbar ist. Eine kontinuierliche Steuerung des Strömungsquerschnittes ist somit möglich.
• Ferner können vorzugsweise Drehzahl- und Drucksensoren, sowie Sensoren zur Erfassung der Verschwenkung der Schwenkscheibe vorgesehen sein, wobei der Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit der durch die jeweiligen Sensoren erfassten Messgrößen kontinuierlich steuerbar ist.
• Nachfolgend wird das Funktionsprinzip sowie die Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckmittelaggregats; und
• 2 einen Schnitt durch einen Ventilkolben entlang der Linie A-A der 1.
• Das in 1 dargestellte Hydraulikaggregat weist im Wesentlichen ein Gehäuse 1b, welches durch Schrauben und eine dazwischen liegende Dichtung (beides nicht gezeigt) in bekannter Weise mit dem Endgehäuse 1a zusammengefügt sind, eine drehbar gelagerte Schwenkscheibe 5, welche um eine zur Achse A senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert ist, und einen Zylinderblock 2 auf. In dem Zylinderblock 2 sind in mehreren Zylindern 3 jeweils Kolben 4 angeordnet, welche über entsprechende Gleitschuhe 10 auf der Schwenkscheibe 5 abgestützt sind.
• Die in dem Zylinderblock 2 in axialer Richtung vorgesehenen Zylinder 3 bzw. Zylinderbohrungen sind bezüglich des Umfangs des Zylinderblocks 2 in vorzugsweise gleichen Winkelschritten gegeneinander versetzt. In jedem der Zylinder 3 ist jeweils ein Kolben 4 verschiebbar angeordnet. Der im Zylinder 3 herrschende Druck wirkt auf den Kolben 4. Die so in den Kolben 4 eingeleitete Kraft wird auf der Gegenseite des Kolbens als Reaktionskraft auf die Schwenkscheibe 5 übertragen. In dem Endgehäuse 1a befindet sich eine Kolbenbohrung 7, in welcher ein Ventilkolben 6 verschiebbar angeordnet ist. Die Kolbenbohrung 7 steht dabei einerseits mit einer entsprechenden Druckniere 11 des Endgehäuses 1a in Verbindung und andererseits über die Zulaufbohrung 12 im Endgehäuse 1a auch mit dem Zylinder 3 in dem Zylinderblock 2. Der auf den jeweiligen Kolben 4 wirkende Druck wird je nach Stellung des Ventilkolbens 6 in der Kolbenbohrung 7 durch die Lage hinsichtlich der Druckseiten (Verbindung mit einer entsprechenden Druckniere 11 (entweder Niederdruckniere oder Hochdruckniere)) bestimmt.
• Die kontinuierliche Steuerung des Strömungsquerschnittes des Druckflüssigkeitsein- und/oder -austritts zu und von den Zylindern 3 des Zylinderblocks 2 erfolgt in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung mittels eines über elektrische Leitungen 17 von einer elektronischen Ventilsteuereinheit 13 an gesteuerten Aktuator 9, welcher den Ventilkolben 6 in der Kolbenbohrung 7 verschiebt. Die Lage des Ventilkolbens 6 und damit das Maß des Strömungsquerschnittes ergibt sich vorzugsweise entsprechend den von Drehzahl- und Drucksensoren und von Sensoren zur Erfassung der Verschwenkung der Schwenkscheibe aufgenommenen Werten, welche der elektronischen Ventilsteuereinheit 13 über Signalleitungen 14, 15 und 16 zugeführt werden. In Abhängigkeit einer oder mehrerer der durch die jeweiligen Sensoren erfassten Messgrößen ist dann der Strömungsquerschnitt kontinuierlich steuerbar.
• Vorzugsweise wird in der elektronischen Ventilsteuereinheit 13 ein spezieller Software-Algorithmus benutzt, um den Aktuator 9 so zu steuern, dass der Strömungsquerschnitt optimal gesteuert wird. Der Aktuator 9 kann dabei bevorzugt durch einen an sich bekannten Linearmotor oder Proportionalmagneten gebildet sein, dessen Wicklungen entsprechend dem ebenfalls an sich bekannten Feder-Masse-Oszillator-Prinzip so angesteuert und mit Spannung versorgt werden, dass die aus der Druckniere 11 über die Kolbenbohrung 7 und über die Zulaufbohrung 12 in den Zylinder 3 fließende Druckflüssigkeit unter allen Umständen einen optimalen Strömungsquerschnitt vorfindet. Dies wird durch den kontinuierlich steuerbaren mit einer Schrägkante und gegebenenfalls einem Schlitz 8 versehenen Ventilkolben 6 erreicht, welcher über den Aktuator 9 betätigbar ist.
• 2 zeigt einen Querschnitt durch den vorderen Bereich des Ventilkolbens 6 entlang der Linie A-A in 1. Der Ventilkolben 6 weist einen V-förmigen Schlitz 8 auf, welcher sich in Form einer Schrägkante zur Stirnfläche des Ventilkolbens 6 hin vertieft. Wird also der Ventilkolben 6 durch den Aktuator 9 in der Kolbenbohrung 7 zurückgezogen, vergrößert sich der Strömungsquerschnitt, welcher der durchströmenden Druckflüssigkeit zur Verfügung steht, entsprechend. Eine stufenlose Einstellung des Strömungsquerschnitts ist somit möglich, in vollständig vorgeschobener Stellung kann der Strömungsquerschnitt im Wesentlichen bis auf Null heruntergefahren werden, im vollständig zurückgezogenen Zustand ergibt sich ein durch den Ventilkolben 6 unbeeinflusster maximaler Strömungsquerschnitt, welcher ansonsten alleine durch die grundlegende Geometrie der Druckniere 11, der Kolbenbohrung 7 und der Zulaufbohrung 12 in dem Endgehäuse 1a bestimmt ist.
• Die schematische Darstellung der Erfindung beschreibt allgemein ein Druckmittelaggregat, insbesondere einen Hydromotor oder eine Hydropumpe, in Axiakolbenbauweise mit über die Verschwenkung der Schwenkscheibe in bekannter Weise variablem Hubvolumen. Auch andere Gestaltungen des Druckmittelaggregats sind möglich. So kann das Prinzip auch für die Umsteuerung von Schrägachseneinheiten verwendet werden.

Claims (8)

1. Druckmittelaggregat, insbesondere Hydromotor oder Hydropumpe, in Axialkolbenbauweise, welches einen in einem Gehäuse (1b) angeordneten Zylinderblock (2) mit einer Mehrzahl von in Zylindern (3) geführten Kolben (4) aufweist, die gleitbar an einer Schwenkscheibe (5) abgestützt sind, wobei die Zulaufbohrungen (12) des Druckflüssigkeits- Ein- und/oder Austritts zu und von den Zylindern (3) des Zylinderblocks (2) in dem Endgehäuse (1a) bezüglich ihres Strömungsquerschnittes kontinuierlich steuerbar sind.
2. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, wobei je einer oder mehreren Zulaufbohrung(en) (12) des Druckflüssigkeits- Ein- und/oder Austritts zur Steuerung des entsprechenden Strömungsquerschnitts ein Ventilkolben (6) zugeordnet ist, der in einer mit einer entsprechenden Druckniere (11) und mit der einen oder den mehreren Zulaufbohrung(en) (12) in Verbindung stehenden Kolbenbohrung (7) des Endgehäuses (1a) angeordnet ist.
3. Druckmittelaggregat nach Anspruch 2, wobei der Ventilkolben (6) einen Schlitz (8), welcher eine Schrägkante bildet, aufweist.
4. Druckmittelaggregat nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Ventilkolben (6) von einem Aktuator (9) betätigbar ist.
5. Druckmittelaggregat nach Anspruch 4, wobei eine elektronische Ventilsteuereinheit (13) vorgesehen ist, mittels welcher der Aktuator (9) elektrisch ansteuerbar ist.
6. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Drehzahl- und Drucksensoren, sowie Sensoren zur Erfassung der Verschwenkung der Schwenkscheibe (5) vorgesehen sind und der Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit der durch die jeweiligen Sensoren erfassten Messgrößen kontinuierlich steuerbar ist.
7. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zylinderblock (2) unmittelbar an eine entsprechende Fläche des Endgehäuses (1a) angrenzt, wobei diese Fläche als Lauffläche des Zylinderblocks (2) dient.
8. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen Zylinderblock (2) und dem Endgehäuse (1a) eine Ventilplatte vorgesehen ist.