DE102004016368B3

DE102004016368B3 - Hydrostatische Verdrängereinheit mit einem Schwenkmechanismus und einer Servoeinheit mit Druckminderventilen

Info

Publication number: DE102004016368B3
Application number: DE200410016368
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Thoms
Original assignee: Sauer Danfoss Neumunster and Co oHG GmbH
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: US20050217736A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängereinheit mit einem Schwenkmechanismus für zwei Förderrichtungen zum kontinuierlichen Verändern des Hubes von Verdrängerkolben und mit einem Servosystem, mit dem der Schwenkmechanismus in entgegengesetzte Schwenkrichtungen bewegbar ist. Das Servosystem umfasst mindestens zwei Servozylinder, mit denen Servokolben bewegbar sind, die den Schwenkmechanismus betätigen und eine Verstelleinrichtung mit je einem Druckminderventil für jeden Servozylinder. Die Steuerkolben der Druckminderventile sind längs einer gemeinsamen Bewegungsachse mittels einer Federanordnung mechanisch gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängereinheit mit einem Schwenkmechanismus und einem Servosystem mit Druckminderventilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hydrostatische Verdrängereinheiten mit einem Schwenkmechanismus für zwei Förderrichtungen zum kontinuierlichen Verändern des Hubes von Verdrängerkolben verfügen über Einrichtungen, mit denen das Hubvolumen gesteuert oder geregelt verändert werden kann. Diese Einrichtungen werden in der Gesamtheit ihrer Baugruppen unter dem Begriff „Servosystem" zusammengefasst. Um mit dem Servosystem den Schwenkmechanismus in entgegengesetzte Richtungen bewegen und den Volumenstrom entsprechend verändern zu können, umfasst das Servosystem typischerweise mindestens zwei Servozylinder, denen je ein den Schwenkmechanismus betätigender Servokolben zugeordnet ist. Das Servosystem kann auch derart ausgeführt sein, dass zwischen zwei einander gegenüberliegend angeordneten Servozylindern ein gemeinsamer, in entgegengesetzte Richtungen beweglicher Servokolben vorgesehen ist.

Die Stirnflächen der Servokolben bilden mit den zugehörigen Servozylindern abgeschlossene Servoräume, die durch eine ebenfalls zum Servosystem gehörige Verstelleinrichtung wechselseitig mit Hydrauliköl unter einem bestimmten Druck mehr oder weniger befüllt und wieder entleert werden. Die Servokolben, die jeweils durch Federkraft in ihrer gewünschten Ausgangslage gehalten werden, verschieben sich dadurch aus dieser Neutrallage heraus. Da sie mit dem Schwenkmechanismus der Verdrängereinheit verbunden sind, bewirkt dies eine entsprechende Veränderung des Hubvolumens.

Die Verstelleinheit des Servosystems umfasst ihrerseits je ein elektrisch ansteuerbares Druckminderventil für jeden Servozylinder, wobei jedes der Druckminderventile über die axiale Verstellung eines Steuerkolbens druckauf- bzw. druckabbauend auf den zugeordneten Servoraum einwirkt und so jeweils für eine der beiden Förderrichtungen zuständig ist.

Herkömmliche Servosysteme mit der beschriebenen Anordnung der Servozylindern und Servokolben unter Verwendung von elektrisch ansteuerbaren Druckminderventilen sind so ausgebildet, dass die Steuerkolben der Druckminderventile jeweils eine eigene Feder zur Rückstellung besitzen. Damit werden ihre Steuerkolben zunächst in der Ausgangslage gehalten. Erst wenn auf die Steuerkolben Stellkräfte aufgebracht werden, die groß genug sind, die Federvorspannung zu überwinden, werden die Steuerkolben verschoben, wodurch Steuerkanten freigegeben oder geschlossen werden, so dass über die Veränderung der Drücke in den Servoräumen eine Hubvolumenänderung in der Verdrängereinheit erfolgt.

Herkömmlich wirken diese Druckminderventile in der Servoverstellung unabhängig von einander und werden so angeordnet, dass sich möglichst einfache, kurze Verbindungsbohrungen hin zum unter höherem Druck stehenden Hydrauliköl, zur Versorgung der Servoräume mit gegebenenfalls gemindertem Druck sowie zum Druckabbau in den Servoräumen ergeben.

Nachteilig ist dabei, dass selbst bauartgleiche Druckminderventile, bedingt durch unvermeidliche Federkrafttolerenazen und Schwankungen in den Abmessungen der Einbauräume, nie identisch ausfallen. Das hat zur Folge, dass gleiche Stellkräfte an verschiedenen Ventilen zu jeweils anderen Förderströmen führen.

Weiterhin ist von Nachteil dass sich herkömmlich kein ausreichend weicher Übergang von einer Förderrichtung in die andere realisieren lässt, wenn die Ventile unabhängig von einander betrieben werden. Zwar kann durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung entgegengesetzt wirkender Servokolben, d.h. unter gleichzeitiger Betätigung von zwei Druckminderventilen mit unterschiedlichen Stellkräften erreicht werden, dass sich die Kräfte im Servosystem zur Änderung des Hubvolumens mehr oder weniger stark ausheben, wodurch sich ein weicherer Übergang von einer Förderrichtung in die andere ergibt. In der Regel ist die Wirkung aber nicht ausreichend symmetrisch, weil die beiderseitigen Ansprechcharakteristiken einfach zu unterschiedlich sind.

Ein Servosystem einschlägiger hydrostatischer Verstelleinrichtungen mit einem in einem Druckzylinder geführten Servokolben ist in der DE 100 37 482 C1 beschrieben. Über eine zugehörige, die Servozylinder versorgende Verstelleinrichtung ist in dieser Schrift nichts ausgesagt. Dies gilt auch für die Druckschrift DD 81787 , die eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer einen Fortsatz aufweisenden Schrägscheibe beschreibt, an dem sich die den Schwenkwinkel verstellenden Servokolben abstützen. Die Servokolben wirken dabei gegeneinander entlang einer gemeinsamen Bewegungsachse.

DE 198 42 029 A1 betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Regelventil zur Verstellung des Schwenkwinkels einer Schrägscheibe. Der Steuerkolben des Regelventils wird von einem Schrittmotor betätigt und ist gegen diesen und einen am gegenüberliegenden Ende des Steuerkolbens sich an der Schrägscheibe abstützenden Stößel jeweils durch eine Feder eingespannt, wobei die beiderseitigen Federn das Kräftegleichgewicht zwischen den einzelnen Elementen halten.

Aus der Druckschrift DE 24 56 381 A1 ist eine Einrichtung zur Regelung der Fördermenge verstellbarer Axialkolbenpumpen mittels einer Servoeinrichtung und einer die Servozylinder versorgenden Gebereinrichtung bekannt, wobei letztere über einen Steuerschieber einen Hilfsölkreis steuert. Die Gebereinrichtung umfasst zwei längs einer gemeinsamen Bewegungsachse gegeneinander stehende Elektromagnete, deren Stößel sich jeweils über eine Feder am Steuerschieber abstützen. Bei Verschiebung mittels der Elektromagnete öffnet und schließt der Steuerschieber die zu den Servozylindern führenden Druck- bzw. Ablaufleitungen, wodurch die Servokolben in die gewünschte Richtung verschoben werden. Zur notwendigen kraftschlüssigen Rückführung an die Gebereinrichtung und zur Regelung der eingestellten Fördermenge und dient ein die Servokolben mit dem Steuerschieber verbindendes Feder-Hebel-System.

Durch die Erfindung soll eine hydrostatische Verdrängereinheit mit einem Servosystem bereitgestellt werden, das einen glatten Übergang von einer Förderrichtung in die andere mit symmetrischer Ansteuercharakteristik ermöglicht.

Das vorgenannte Ziel wird bei einer hydrostatischen Verdrängereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch erreicht, dass die Steuerkolben der beiden Druckminderventile längs einer gemeinsamen Bewegungsachse mittels einer Federanordnung mechanisch gekoppelt sind. Damit lässt sich eine rückführlose Proportionalsteuerung realisieren, bei der sich das Hubvolumen der Verdrängereinheit im wesentlichen proportional zur Magnetkraft bzw. zum Ansteuerstrom der Magnete bzw. zu dem daraus resultierenden Druck in den Servoräumen einstellt. Einer mechanischen Rückführung des Schwenkwinkels der Verdrängereinheit auf die Druckminderventile bedarf es dabei nicht.

Erfindungsgemäß sind die Druckminderventile auf der gemeinsamen Bewegungsachse ihrer Steuerkolben so ausgerichtet, dass die auf die Steuerkolben ausgeübten Stellkräfte beider Ventile in entgegengesetzte Richtungen weisen. Zwischen beiden Steuerkolben ist eine Federanordnung vorgesehen, die aufgrund des vorgegebenen Bauraumes vorgespannt ist und bei Neutralstellung des Servosystems die Steuerkolben in entgegengesetzte Richtungen gegen Anschläge in ihren Ausgangspositionen hält.

Vorteilhaft ist das Servosystem so ausgeführt, dass die Steuerkolben der Druckminderventile durch eine Druckfederanordnung, die mindestens eine Druckfeder umfasst, längs ihrer gemeinsamen Bewegungsachse in entgegengesetzte Richtungen auseinandergedrückt werden. Die auf die Steuerkolben ausgeübte Stellkraft eines der gegeneinanderstehenden Druckminderventile drückt dann den anderen Steuerkolben über die Druckfeder gegen dessen Anschlag.

Es ist aber ebenso möglich, analog eine Zugfederanordnung vorzusehen, die mindestens eine Zugfeder umfasst, wobei die Steuerkolben dann nicht wie im Fall der Druckfeder gegeneinander gerichtet sind, sondern in entgegengesetzte Richtungen weisen.

Vorzugsweise besteht die Federanordnung aus einer einzigen Feder. Zur Erzeugung einer speziellen Kraft-Weg-Kennlinie kann die Federanordnung aber auch mehrere in Reihe oder parallel angeordnete Federn umfassen.

Vorzugsweise sind die Druckminderventile als elektrisch ansteuerbare Proportional-Druckminderventile ausgebildet. In vielen Fällen ist es von Vorteil, wenn die Steuerkolben und die Federanordnung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, in Cartridge-Bauweise ausgeführte Druckminderventile zu verwenden, die in einem Gehäuse befestigt werden, wobei dann die Federanordnung zwischen den in den Cartridges geführten Steuerkolben angeordnet ist.

Um eine spezielle Charakteristik des Anfahrdrucks zu realisieren, umfasst die erfindungsgemäße vorzugsweise Federanordnung mindestens eine Feder, deren Federwicklung mit veränderlichem Wicklungsdurchmesser so ausgeführt ist, dass ihre Weg-Kraft-Kennlinie nichtlinear ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.

Es zeigt die Figur eine Verstelleinrichtung für das Servosystem einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Verdrängereinheit.
In der Figur ist eine Verstelleinrichtung 1 für das Servosystem einer hydrostatischen Verdrängereinheit nach der Erfindung dargestellt. Sie besteht aus je einem elektrisch ansteuerbaren Proportionalmagneten 2a, 2b für jede Förderrichtung, der zusammen mit je einem Steuerkolben 3a, 3b ein elektrisch ansteuerbares Druckminderventil 4a, 4b bildet. Die Figur zeigt dabei den Steuerkolben 3a im Schnitt, während der Steuerkolben 3b ungeschnitten dargestellt ist.
Die Federanordnung 5 besteht in der Ausführung gemäß der Figur aus einer Druckfeder, die zwischen den Enden der Steuerkolben 3a, 3b längs deren gemeinsamer Bewegungsachse 7 angeordnet ist. Die Feder ist durch den zur Verfügung stehenden Bauraum vorgespannt und hat die Aufgabe, die Steuerkolben 3a, 3b in ihren Ausgangsstellungen zu halten, die beiderseite durch je einen Anschlag gegeben sind, an den der jeweilige Steuerkolben durch die Feder angedrückt wird. Wird auf einen der Steuerkolben 3a eine ausreichend große Stellkraft aufgebracht, wird die Feder 5 komprimiert und der zum aktivierten Druckminderventil 4a gehörige Steuerkolben 3a wird abhängig vom Verhältnis zwischen Stellkraft und Federkraft bewegt, wobei sich im zugeordneten Servoraum ein entsprechender Druck ausbaut. Der Steuerkolben 3b des gegenüberliegenden Druckminderventils 4b wird dabei durch die steigende Federkraft um so fester gegen seinen Anschlag gedrückt.
Wenn umgekehrt die gleiche Stellkraft auf das andere Druckminderventil 4b wirkt, so ist die Verschiebung von dessen Steuerkolben 3b exakt dieselbe, weil dann die gleichen Kräfte wirksam werden. Die Hubvolumenänderung der Verdrängereinheit wird somit weitestgehend oder sogar vollkommen symmetrisch von der Verstelleinrichtung angesteuert.
Im gezeichneten Ausführungsbeispiel werden die Druckminderventile 4a, 4b in sog. aufgelöster Bauweise verwendet. Die Steuerkolben 3a, 3b werden dabei direkt in einem Gehäuseteil 6 der hydrostatischen Verdrängereinheit geführt. Alternativ ist es ebenso möglich, komplette Druckminderventile in Cartridge-Bauweise zu verwenden, die in das Gehäuse der Verdrängereinheit eingesetzt und dort befestigt werden. In letzterem Fall wird die Federanordnung zwischen den in den Cartridges geführten Steuerkolben angeordnet.
Werden gleichzeitig unterschiedliche Stellkräfte auf die beiden gegenüberliegenden Ventile 4a, 4b ausgeübt, heben sich die von den Ventilen ausgehenden Servodrücke exakt im Verhältnis der Stellkräfte auf. Damit ergibt sich ein glatter kontinuierlicher Übergang von einer Förderrichtung in die andere.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen hydraulischen Verdrängereinheit und der beschriebenen Verstelleinrichtung – über die Realisierung einer symmetrischen Ansteuercharakteristik für beide Förderrichtungen bei glattem Übergang zwischen beiden hinausgehend – besteht darin, dass ggfs. Fehlfunktionen eines der Druckminderventile durch Betätigung des anderen Ventils in der Weise behoben werden können, dass mit dem zweiten Ventil mechanisch Einfluss auf das erste genommen wird.

Claims

Hydrostatische Verdrängereinheit mit einem Schwenkmechanismus für zwei Förderrichtungen zum kontinuierlichen Verändern des Hubes von Verdrängerkolben und mit einem Servosystem, mit dem der Schwenkmechanismus in entgegengesetzte Schwenkrichtungen bewegbar ist, wobei das Servosystem mindestens zwei Servozylinder umfasst, mit denen Servokolben bewegbar sind, die den Schwenkmechanismus betätigen, und wobei eine Verstelleinrichtung (1) mit je einem Druckminderventil (4a, 4b) für jeden Servozylinder vorgesehen ist und jedes Druckminderventil (4a, 4b) jeweils einen Steuerkolben (3a, 3b) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkolben (3a, 3b) längs einer gemeinsamen Bewegungsachse (7) mittels einer Federanordnung (5) mechanisch gekoppelt sind.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Steuerkolben (3a, 3b) der Druckminderventile (4a, 4b) ausgeübten Stellkräfte in entgegengesetzte Richtungen weisen.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung in Neutralstellung des Servosystems die Steuerkolben (3a, 3b) der Druckminderventile (4a, 4b) gegen Anschläge in ihren Ausgangspositionen hält.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (5) mindestens eine Druckfeder umfasst.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (5) mindestens eine Zugfeder umfasst.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (5) mehrere in Reihe oder parallel angordnete Federn umfasst.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckminderventile (4a, 4b) als elektrisch ansteuerbare Proportional-Druckminderventile ausgebildet sind.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkolben (3a, 3b) und die Federanordnung (5) in einem gemeinsamen Gehäuseteil (6) der hydrostatischen Verdrängereinheit angeordnet sind.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckminderventile (4a, 4b) in Cartridge-Bauweise ausgeführt und im Gehäuse der hydrostatischen Verdrängereinheit befestigt sind, wobei die Federanordnung zwischen den in den Cartridges geführten Steuerkolben (3a, 3b) angeordnet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (5) mindestens eine Feder umfasst, deren Federwicklung mit veränderlichem Wicklungsdurchmesser so ausgeführt ist, dass ihre Weg-Kraft-Kennlinie nichtlinear ist.