DE102004020357A1

DE102004020357A1 - Verfahren und Hydromaschine zum Steuern einer Verdrängung

Info

Publication number: DE102004020357A1
Application number: DE102004020357A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Arnaud; Martin Nordborg; Kim René Hansen
Original assignee: Sauer Danfoss ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-17
Also published as: CN1690363A; US7188472B2; US20050238521A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Hydromaschine (1) angegeben mit einer Kommutierungseinrichtung (11) und mit fluiddurchströmten, von Verdrängereinrichtungen gebildeten expandierenden und kontrahierenden Druckräumen. DOLLAR A Man möchte mit dem Verfahren und der Hydromaschine (1) eine Verdrängung in der Hydromaschine (1) steuern, um Druckschwankungen gering zu halten. DOLLAR A Hierzu weist die Hydromaschine (1) eine Gruppe von Einrichtungen auf, zu der eine Kommutierungseinrichtung (11) und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen (2, 3) gehören, wovon mindestens zwei der Einrichtungen relativ zueinander mit einer Verstellvorrichtung verstellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Verdrängung in einer Hydromaschine mit einer Kommutierungseinrichtung und mit fluiddurchströmten, von Verdrängereinrichtungen gebildeten expandierenden und kontrahierenden Druckräumen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Hydromaschine, bei der das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.

Der Begriff "Hydromaschine" umfaßt Pumpen und Hydromotoren, in denen eine hydrostatische Leistungsumsetzung eines Fluids nach dem Verdrängerprinzip erfolgt. Diese Maschinen werden daher auch als Verdrängersmaschinen bezeichnet. Bei dem Verdrängerprinzip wird der für die Erzeugung eines Volumenstroms erforderliche Raum im Inneren der Hydromaschine während eines Funktionszeitraumes verkleinert und wieder vergrößert.

Vom Wirkungsprinzip unterscheidet man bei Hydromaschinen zwischen Rotations- und Kolbenmaschinen. Bei den Rotationsmaschinen erfolgt der Fördervorgang des Fluids in Umfangsrichtung. Als Verdrängerelemente werden beispielsweise Zahnräder oder Sperrkörper verwendet. Kolbenmaschinen weisen hingegen Verdrängerelemente in Form von Kolben auf, die eine lineare Bewegung ausführen, um eine Verdrängung des Fluids hervorzurufen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hydromaschinen jeglicher Art und wird im folgenden anhand einer Rotationsmaschine erläutert.

In EP 1 045147 A2 wird eine Hydromaschine nach dem Verdrängerprinzip beschrieben, die das Drehmoment an einer Arbeitswelle durch die zeitliche Änderung der Geometrie von Druckräumen mit unterschiedlich großen Wirkflächen zwischen einem Zahnradring und einem exzentrisch rotierenden Zahnradrotor erzeugt. Im Normalbetrieb bei langsam laufender Welle mit hohem Drehmoment steht der Fluideinlaß mit allen expandierenden Druckräumen in Verbindung, und alle kontrahierenden Druckräume sind mit dem Fluidauslaß verbunden. Im Schnellaufbetrieb mit niedrigem Drehmoment wird eine Rezirkulation des Fluids konstruktiv hervorgerufen, bei der eine Fluidmenge, die aus den kontrahierenden Druckräumen austritt, zurückgeführt wird, in einige expandierende Druckräume. Dies geschieht, indem ein Ventilschieber an einer Kanalplatte in zwei Positionen bringbar ist. In einer ersten Position des Ventilschiebers sind Druckräume geöffnet und eine Rezirkulation des Fluids möglich, und in einer zweiten Position sind alle Druckkanäle durch den Ven tilschieber verschlossen, so daß keine Rezirkulation stattfinden kann.

Die Rezirkulation bewirkt somit eine Verringerung einer Verdrängung in der Hydromaschine bei gleichbleibendem Fluß durch die Hydromaschine. Der Übergang vom Langsamlaufbetrieb in den Schnellaufbetrieb kann dabei in einem Schritt geschehen oder in Zwischenschritten, wenn die rezirkulierte Flußrate nicht durch eine Kommutierungsplatte, sondern durch eine Steuerplatte geleitet wird.

In US 4 493 622 wird eine Hydromaschine beschrieben, die in Abhängigkeit einer Last an einer Arbeitswelle gesteuert wird. Die Hydromaschine ist als Verdrängermotor ausgebildet und weist ein oder mehrere Zahnradsätze auf. Zwischen einem Zahnradring und einem Motorgehäuse befinden sich am Umfang Freiräume, in denen mechanische Federn installiert sind. Eine minimale Verdrängung der Hydromaschine liegt vor, wenn sich die Hydromaschine in einem Zustand mit niedrigem Drehmoment befindet. Bei größer werdender Last an der Arbeitswelle der Hydromaschine wird der Druck in den Druckräumen erhöht, die dem Fluideinlaß zugewandt sind. Dies führt zu einer Erhöhung des Drehmoments, das sowohl auf einen Zahnradrotor als auch auf einen Zahnradring wirkt. Überschreitet dieses Drehmoment die Spannkraft der Federn in den Freiräumen zwischen Zahnradring und Gehäuse, so werden die Federn zusammengedrückt und der Zahnradring führt eine rotatorisch begrenzte Bewegung aus. Durch diese Bewegung des Zahnradrings wird die Verdrängung der Hydromaschine erhöht und somit das Drehmoment an der Antriebswelle ebenfalls erhöht.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur Steuerung der Verdrängung treten Druckschwankungen in der Hydromaschine auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Hydromaschine anzugeben, mit denen die Verdrängung in der Hydromaschine gesteuert wird, um Druckschwankungen gering zu halten.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Hydromaschine eine Gruppe von Einrichtungen aufweist, zu der eine Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen gehören, wovon mindestens zwei der Einrichtungen relativ zueinander verstellt werden.

Bei der Erfindung werden mindestens drei Einrichtungen, eine Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen, die miteinander durch Druckräume in Verbindung stehen, relativ zueinander ausgerichtet. Es ergeben sich verschiedene Möglichkeiten zum Verstellen der Einrichtungen. Es können beispielsweise alle Einrichtungen relativ zueinander verstellt werden. Auch ist es möglich, daß eine oder mehrere Einrichtungen nicht verstellt werden und mindestens zwei der Einrichtungen relativ zueinander verstellt werden. Bei zwei vorhandenen Verdrängereinrichtungen ist es möglich, zwei der Verdrängereinrichtungen zu verstellen, während die Kommutierungseinrichtung nicht verstellt wird. Auch ist es möglich, nur eine Verdrängereinrichtung und die Kommutierungseinrichtung zu verstellen. Bei mehr als zwei vorhandenen Verdrängereinrichtungen ist es auch denkbar, eine Anzahl von mindestens zwei Verdrängereinrichtungen zu verstellen und die Kommutierungseinrichtung auch zu verstellen oder in ihrer Ausgangsposition zu belassen. Die Einrichtungen werden verstellt, um die Verdrängung im Inneren der Hydromaschine steuern zu können. Das Verstellen wird genutzt, um transiente unerwünschte Druckschwankungen in der Hydromaschine gering zu halten.

Es wird besonders bevorzugt, daß der zeitliche Verlauf der Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen in Phase gebracht wird mit dem zeitlichen Druckverlauf des zugeordneten Bereichs der Kommutierungseinrichtung. Eine Phasengleichheit dieser beiden zeitlichen Verläufe bedeutet, daß der Zeitpunkt des Übergangs des gemeinsamen Druckvolumens der miteinander korrespondierenden Druckräume der Verdrängereinrichtungen von einer kontrahierenden Arbeitsphase in eine expandierenden Arbeitsphase und auch von einer expandierenden Arbeitsphase in eine kontrahierende Arbeitsphase mit jeweils einem Zeitpunkt der minimalen Durchflußfläche an dem Bereich der Kommutierungseinrichtung zusammenfällt, die den Druckräumen der Verdrängereinrichtung zugeordnet ist. Hierdurch werden Kräfte in der Hydromaschine vermieden, die sonst aufgrund einer zeitlich großen Verdrängung der Verdrängereinrichtungen bei zeitgleicher minimaler Durchflußfläche an dem zugeordneten Bereich der Kommutierungseinrichtung entstehen würden. Eine minimale Durchflußfläche kann so gestaltet sein, daß diese geschlossen ist und kein Fluid hindurchläßt.

Es ist besonders vorteilhaft, daß der zeitliche Verlauf der Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen mit gleicher Frequenz erzeugt wird wie der zeitliche Druckverlauf des zugeordneten Bereichs der Kommutierungseinrichtung. Weist der Druckverlauf und der Verlauf der Summe der Verdrängungen die gleiche Frequenz auf, so fallen alle Übergänge von der expandierenden Arbeitsphase in die kontrahierende Arbeitsphase und umgekehrte Übergänge zusammen mit allen zeitlich minimalen Durchflußflächen der Kommutierungseinrichtung, die der Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen zugeordnet ist. Bei dieser Vorgehensweise wird die zu diesem Zeiptunkt minimale Durchflußfläche der Kommutierungseinrichtung ständig genutzt, um einen kräftearmen Übergang beim Wechsel der Arbeitsphasen zu realisieren.

Es ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß die zeitlichen Verläufe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen außer Phase gebracht werden. Bei den vorangegangenen Merkmalen ist es auch möglich, daß die Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen dadurch zustande kommt, daß beispielsweise der zeitliche Verlauf der Summe von zwei miteinander korrespondierenden Druckräumen entsteht, die frequenzgleich sind, sich aber nicht in ihrer Phasenlage unterscheiden. Durch die Bildung der zeitlichen Summe der Verdrängungen addieren sich Maximalwerte der Verdrängungen zeitgleich, wofür die Hydromaschine ausgelegt sein muß. Im Gegensatz hierzu wird bei dieser Variante vorgeschlagen, die zeitlichen Verläufe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen außer Phase zu bringen, so daß die zeitliche Summation bei gleicher Verdrängung wie in der Variante zuvor einen geringeren Maximalwert ergibt und Druckschwankungen im Inneren der Hydromaschine noch geringer hält.

Bevorzugterweise werden Maximalwerte der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen betragsgleich erzeugt. Der zeitliche Verlauf der Summe der Verdrängungen der miteinander korrespondierenden Druckräume von verschiedenen Verdrängereinrichtungen nimmt auf diese Weise eine regelmäßige Form an. Dies wirkt sich positiv auf einen gleichmäßigen zeitlichen Druckverlauf im Inneren der Hydromaschine aus.

Auch wird besonders bevorzugt, daß Maximalwerte der Verdrängung eines Druckraums betragsgleich in einer expandierenden und in einer kontrahierenden Arbeitsphase erzeugt werden. Dies bedeutet, daß der Druckraum gleichmäßig belastet wird. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn das maximale Volumen des Druckraums in der kontrahierenden Arbeitsphase gleich dem maximalen Volumen des identischen Druckraums in der expandierenden Phase ist.

Bei einer Rotationsmaschine wird bevorzugt, daß mindestens jeweils ein Element von mindestens zwei Einrichtungen rotatorisch in Umfangsrichtung relativ zueinander mit unterschiedlichen Drehwinkeln verstellt werden.

Verstellbare Elemente können beispielsweise Zahnradringe der Verdrängereinrichtungen und Kanal- oder Steuerungsplatte einer Kommutierungseinrichtung sein. Zur Steuerung der Verdrängung werden somit mindestens drei Elemente von unterschiedlichen Einrichtungen relativ zueinander ausgerichtet, wobei mindestens zwei der Elemente mit unterschiedlichen Drehwinkeln verstellt werden. Ein Drehwinkel wird durch seine Drehrichtung und seinen Winkelbetrag beschrieben. Es ist somit beispielsweise möglich, daß mindestens zwei der Elemente einen betragsgleichen Drehwinkel aufweisen, aber in unterschiedliche Richtungen gedreht werden. Auch ist es möglich, daß mindestens zwei Elemente in gleiche Richtung gedreht werden. Bei gleicher Drehrichtung aller verstellten Elemente weist mindestens ein Element einen anderen Betrag des Drehwinkels auf, so daß auch hier mindestens zwei Elemente mit verschiedenen Drehwinkeln verstellt werden.

Bei einer Rotationsmaschine werden vorzugsweise die Kommutierungseinrichtung bezüglich ihrer Kommutierungsachse und die Verdrängereinrichtungen bezüglich ihrer jeweiligen Exzentrizitätsachse durch jeweils einen Drehwinkel verstellt, wobei die Kommutierungsachse und die Exzentrizitätsachsen in ihrer Ausgangsposition übereinstimmen. Die Exzentrizitätsachse einer Verdrängereinrichtung liegt senkrecht zur Flußrichtung des Fluids und separiert den Bereich der expandierenden Druckräume von dem Bereich der kontrahierenden Druckräume. Die Kommutierungsachse der Kommutierungseinrichtung separiert den Bereich, der den hohen Druck der Kommutierungseinrichtung erzeugt, von dem Bereich der Kommutierungseinrichtung, der zeitgleich dazu gerade kaum oder keinen Druck erzeugt, da er beispielsweise gerade mit dem Fluidauslaß verbunden ist.

Vorzugsweise werden die Exzentrizitätsachsen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Verdrängungen der Verdrängereinrichtungen mit entgegengesetzten Verstellrichtungen verstellt. Diese Ausgestaltung ist dann besonders vorteilhaft, wenn Zahnradsätze unterschiedliche Verdrängungen aufweisen. Dies kann beispielsweise bei verschiedenen Durchmessern der Zahnradsätze oder verschieden gestalteten Druckräumen auftreten. Sind beispielsweise zwei Zahnradsätze vorhanden und weist der zweite Zahnradsatz eine doppelte Verdrängung verglichen mit dem ersten Zahnradsatz auf, so wird der erste Zahnradsatz beispielsweise um +10° verstellt und der zweite Zahnradsatz um -5°. Bei einer vierfachen Verdrängung des ersten Zahnradsatzes im Vergleich zum zweiten Zahnradsatz wird der erste Zahnradsatz beispielsweise um +2,5° in eine Richtung verstellt, während der zweite Zahnradsatz in die entgegengesetzte Richtung mit dem Winkel -10° verstellt wird. Die Verdrängung kann auch mit der Kommutierungseinrichtung in Verbindung mit den verstellten Verdrängereinrichtungen gesteuert werden.

Bevorzugterweise wird die Kommutierungsachse aus ihrer Ausgangsposition um die Hälfte der Summe aller Drehwinkel der verstellten Exzentrizitätsachsen verstellt. Bei dieser Ausführungsvariante wird die Verdrängung im Inneren der Hydromaschine besonders effektiv gesteuert, um Druckschwankungen zu verhindern. Die Ausführungsvariante sieht bei einer Rotationsmaschine beispielsweise vor, einen Zahnradring bezüglich seiner Exzentrizitätsachse einer Verdrängereinrichtung aus seiner Aus gangsposition heraus um einen Drehwinkel zu verdrehen und einen weiteren Zahnradring bezüglich seiner Exzentrizitätsachse einer zweiten Verdrängereinrichtung ebenfalls aus seiner Ausgangsposition heraus um einen Drehwinkel in entgegengesetzter oder gleicher Richtung zu verdrehen. Sind die Drehwinkel der beiden Zahnradringe betragsgleich und die Zahnradringe in entgegengesetzter Richtung verdreht, so beträgt der Drehwinkel der Kommutierungseinrichtung bezüglich seiner Kommutierungsachse Null, und sie behält folglich ihre Ausgangsposition bei. Werden jedoch beide Zahnradringe in die gleiche Richtung verdreht, so ist ein Verstellen der Kommutierungseinrichtung notwendig, um die vorgeschlagene Ausführungsvariante zu erfüllen. Bei mehr als zwei verstellten Zahnradringen kann die Bedingung des Verstellens ebenfalls eingehalten werden. Es ist hierbei auch möglich, daß ein oder mehr Zahnradringe nicht verstellt werden und auch nicht verstellbar ausgeführt sind. Bei entsprechendem Verstellen von mehr als zwei Zahnradringen ergeben sich weitere Fälle, bei denen sich der Drehwinkel der Kommutierungseinrichtung zu Null ergibt und die Kommutierungseinrichtung dann entweder nicht verstellt wird oder gar nicht verstellbar ausgeführt ist.

Bevorzugterweise werden die Einrichtungen mit einer Verstellvorrichtung verstellt. Eine Verstellvorrichtung kann von außen auf die zu verstellenden Einrichtungen wirken. Hierbei ist es möglich, daß die zu verstellenden Einrichtungen mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder auf ähnliche Weisen angesteuert werden, um die Verstellbewegung auszuführen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Hydromaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sie eine Gruppe von Einrichtungen aufweist, zu der eine Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen gehören, wovon mindestens zwei der Einrichtungen mit einer Verstellvorrichtung relativ zueinander verstellbar sind. Die Hydromaschine kann so gestaltet sein, daß beispielsweise zwei Verdrängereinrichtungen relativ zueinander verstellbar sind und die Kommutierungseinrichtung nicht verstellbar ist. Auch kann nur eine Verdrängereinrichtung und die Kommutierungseinrichtung verstellbar sein. Es werden somit mindestens drei Einrichtungen zueinander ausgerichtet, von denen mindestens zwei Einrichtungen verstellbar sind. Befinden sich in der Hydromaschine mehr als zwei Verdrängereinrichtungen, so sind alle Kombinationen zum Verstellen unter der Voraussetzung denkbar, daß mindestens zwei der Einrichtungen Kommutierungseinrichtung und Verdrängereinrichtungen verstellbar ausgeführt sind. Wenn beispielsweise mehr als zwei Einrichtungen verstellbar ausgeführt sind, so besteht auch hier nicht die Notwendigkeit, alle verstellbaren Einrichtungen zu verstellen.

In einer Ausführungsvariante weist die Verstellvorrichtung mechanische, hydraulische, elektrische oder magnetische Mittel auf. Diese Mittel sind platzsparend einsetzbar und bei Hydromaschinen teilweise bereits vorhanden. Eine Hydromaschine kann mehrere Verstellvorrichtungen aufweisen.

In einfacher praktischer Ausführung weist die Verstellvorrichtung mechanische Betätigungselemente auf. Mecha nische Betätigungselemente können beispielsweise Nocken oder ineinandergreifende Geometrien sein. Diese können in besonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden, wenn beispielsweise bei einer Rotationsmaschine am Umfang eines Zahnradrings einer Verdrängereinrichtung entsprechende Geometrien vorhanden sind, die mit der mechanischen Verstellvorrichtung in Verbindung stehen. Die Verstellvorrichtung kann sich dann zwischen einem oder mehreren verstellbaren Elementen und dem Gehäuse der Hydromaschine befinden.

Vorzugsweise sind mindestens zwei Freiräume zwischen einem verstellbaren Element der Einrichtung und einem feststehenden Bauteil der Einrichtung mit dem hydraulischen Mittel beaufschlagbar. Es können beispielsweise bei Rotationsmaschinen hydrauische Mittel in Freiräumen zwischen einem inneren Zahnradring und einem äußeren Zahnradring einer Verdrängereinrichtung wirksam werden, um eine Verstellbewegung einzuleiten. An der Kommutierungseinrichtung sind hydraulische Mittel ebenfalls leicht als Verstellmöglichkeit anwendbar, indem dort Freiräume vorgesehen sind, die mit der hydraulisch wirkenden Verstellvorrichtung in Verbindung stehen.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Einrichtungen stufenlos verstellbar sind. Ein stufenloses Verstellen ermöglicht eine kontinuierliche Drehzahländerung der Welle an der Hydromaschine. Mit einer stufenlosen Verstellvorrichtung erweitert sich somit der Drehzahlbereich der Hydromaschine. Auch ist unter mechanischen Gesichtspunkten eine stufenlose Verstellvorrichtung vorteilhaft, da die Komponenten der Maschine bei einem Drehzahlwechsel weniger beansprucht werden als bei einer sprunghaften Änderung der Verstellposition.

Bei einer Hydromaschine, die als Rotationsmaschine ausgebildet ist, ist besonders bevorzugt, daß sie eine Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Zahnradsätze mit jeweils einem Zahnrad und jeweils einem Zahnradring aufweist, wobei die Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Zahnradringe eine Gruppe von Elementen bilden, wovon mindestens zwei der Elemente rotatorisch in Umfangsrichtung mit der Verstellvorrichtung relativ zueinander verstellbar sind. Die Zahnradringe, die üblicherweise feststehend sind, können bei dieser Ausführungsvariante rotatorisch begrenzt bewegt werden. Das bedeutet, sie sind verstellbar um ein Segment, das kleiner als 360° ist.

Vorzugsweise ist das Verhältnis der Verdrängungen der Zahnradsätze umgekehrt proportional zu Verdrehwinkeln in entgegengesetzte Richtungen der verstellten Zahnradringe. Weist beispielsweise die Hydromaschine zwei Zahnradsätze auf, wobei der erste Zahnradsatz eine doppelte Verdrängung des zweiten Zahnradsatzes aufweist, so ist beispielsweise der Zahnradring des ersten Zahnradsatzes um -5° in die eine Richtung und der Zahnradring des zweiten Zahnradsatzes um +10° in die entgegengesetzte Richtung verstellbar. Die Verdrängung ist auch mit der Kommutierungseinrichtung in Verbindung mit den verstellten Verdrängereinrichtungen steuerbar.

Vorzugsweise ist die Kommutierungseinrichtung um die Hälfte der Summe aller Drehwinkel der verstellten Zahnradringe drehbar. Das Verstellen der Kommutierungsein richtung ist von den Drehwinkeln des Zahnradringes oder auch mehrerer Zahnradringe abhängig. Es ist beispielsweise denkbar, daß zwei Zahnradringe in entgegengesetzte Drehrichtungen mit einem betragsgleichen Winkel verstellt werden. Da die Summe beider Drehwinkel durch ihre unterschiedlichen Vorzeichen Null ergibt, ist es in diesem Fall nicht notwendig, daß die Kommutierungseinrichtung überhaupt drehbar ist.

In einem anderen Fall, wenn beispielsweise zwei Zahnradringe in die gleiche Richtung mit dem gleichen Drehwinkel verstellt werden, sollte die Kanalplatte um die Hälfte der Summe der beiden Winkel, in diesem Fall also genau um den Drehwinkel der Kommutierungseinrichtung in die gleiche Richtung verstellbar sein. Die beiden Zahnradsätze mit identischer Verdrehung ihrer Zahnradringe wirken in diesem Fall wie ein Zahnradsatz mit größerer geometrischer axialer Ausdehnung.

Bei beispielsweise vier vorhandenen Zahnradsätzen ist es auch möglich, daß zwei der Zahnradringe in eine Drehrichtung und die anderen beiden Zahnradringe in die entgegengesetzte Drehrichtung verstellbar sind. Beträgt beispielsweise der Drehwinkel für den ersten Zahnradring +5°, für den zweiten Zahnradring -5°, für den dritten Zahnradring +10° und für den vierten Zahnradring -10°, so beträgt der Drehwinkel der Kanalplatte 0°. Das bedeutet, diese muß nicht verstellbar ausgeführt sein. Für das Strömungsverhalten im Inneren der Hydromaschine ist es vorteilhaft, wenn, wie in diesem Beispiel, die Zahnradringe abwechselnd in positive und negative Richtung verstellbar sind. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Bei mehr als zwei Zahnrad sätzen in der Hydromaschine ist es auch denkbar, daß ein oder mehr Zahnradsätze an beliebiger Position im Inneren der Hydromaschine nicht verstellbar sind.

In besonders einfacher praktischer Ausführung der Erfindung sind Freiräume in mindestens einem Zahnradring mit einem äußeren Zahnradring und einem inneren Zahnradring vorgesehen. Bei mindestens zwei ansteuerbaren Freiräumen ist ein Verstellen in entgegengesetzte Drehrichtung an einem Zahnradring möglich. Beim Ansteuern eines Freiraums erfährt der verstellbare Zahnradring einen Druck, der ein Drehen des beispielsweise bewegbaren inneren Zahnradrings in eine Drehrichtung bewirkt. Beim Ansteuern eines beispielsweise gegenüberliegenden Freiraums bewirkt das hydraulische Mittel ein Verstellen in entgegengesetzter Drehrichtung.

Es ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß alle Einrichtungen mit einer einzigen Verstellvorrichtung verstellbar sind. Hiermit ist auf eine einfache Weise eine Synchronisation der Verstellbewegungen möglich. Auch ergeben sich konstruktive Vorteile bei dem Verwenden von nur einer Verstellvorrichtung, um beispielsweise begrenzte Raumverhältnisse effektiv nutzen zu können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 einen zeitlichen Verlauf der Verdrängung eines Druckraums einer Verdrängereinrichtung (Stand der Technik),
2 einen zeitlichen Verlauf der Durchflußfläche des Bereichs der Kommutierungseinrichtung, der dem Druckraum aus 1 zugeordnet ist (Stand der Technik),
3 einen zeitlichen Verlauf des Drucks an dem Bereich der Kommutierungseinrichtung, der dem Druckraum nach 1 zugeordnet ist (Stand der Technik),
4 einen zeitlichen Verlauf der Summe der Verdrängungen der miteinander korrespondierenden Druckräume verschiedener Verdrängereinrichtungen,
5 einen zeitlichen Verlauf der Durchflußfläche des Bereichs der Kommutierungseinrichtung, der den Druckräumen aus 4 zugeordnet ist,
6 einen zeitlichen Verlauf des Drucks an dem Bereich der Kommutierungseinrichtung, der den Druckräumen nach 4 zugeordnet ist,
7 einen zeitlichen Verlauf der Summe der Verdrängungen nach 4 und zeitliche Verläufe der Verdrängung einzelner Druckräume,
8 eine Hydromaschine mit zwei Verdrängereinrichtungen und einer Kommutierungseinrichtung,
9 eine verstellbare Kanalplatte als Kommutierungseinrichtung,
10 einen verstellbaren Zahnradring und
11 ein Beispiel für eine mechanische Verstellvorrichtung.
Das Prinzip der Erfindung wird im folgenden an einer Hydromaschine 1 erläutert, die als Rotationsmaschine ausgebildet ist und Verdrängereinrichtungen in Form von Zahnradsätzen 2, 3 aufweist. Die 1 bis 3 zeigen zeitliche Verläufe, die sich auf Vorgänge im Inneren von Rotationsmaschinen beziehen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die herangezogene Rotationsmaschine weist hier ein einziges Zahnrad mit sechs Zähnen auf, das sich mit der Welle der Maschine dreht, so daß sich der Verdrängervorgang jedes Druckraums des Zahnrades nach einem Rotationswinkel der Welle von 60° (360°:6 =60°) wiederholt.
In 1 ist ein zeitlicher Verlauf der Verdrängung V eines Druckraums der Verdrängereinrichtung G1a dargestellt. Es ergeben sich zwei Bereiche im zeitlichen Verlauf. Im ersten Bereich von 0° bis 30° wirkt der Druckraum kontrahierend, und es fließt das Fluid in diesen Druckraum hinein. Im zweiten Bereich von 30° bis 60° des Rotationswinkels wirkt der Druckraum expandierend, und das Fluid fließt aus diesem Druckraum wieder heraus. Bei einem Rotationswinkel von etwa 30° weist dabei der Druckraum sein maximales Volumen auf.
2 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Durchflußfläche A der Kommutierungseinrichtung G2a, der dem Druckraum aus 1 zugeordnet ist. Üblicherweise be steht eine Phasendifferenz zwischen den zeitlichen Verläufen der Kurven G1a (1) und G2a (2). In dem gezeigten Beispiel beträgt die Phasendifferenz etwa 1°. Aufgrund dieser Phasendifferenz entstehen im Inneren der Hydromaschine Druckschwankungen, die sich dem zeitlichen Druckverlauf überlagern.
In 3 ist der resultierende Druckverlauf G3a dargestellt, dem der Druckraum der Verdrängereinrichtung ausgesetzt ist und der durch die Kommutierungseinrichtung vorgegeben wird. Bei diesem Beispiel beträgt der Druck p am Fluideinlaß 130 bar und am Fluidauslaß 0 bar. Der Druckverlauf G3a setzt sich zusammen aus dem zeitlichen Druckwechselverlauf der Kommutierungseinrichtung und den unerwünschten Druckschwankungen, die aus der Phasendifferenz der beiden zeitlichen Verläufe G1a und G2a der 1 und 2 entstehen.
Die 4 bis 6 zeigen im Vergleich zu dem Stand der Technik (1 bis 3) das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 zeigt im Fall von nur einem Zahnradsatz in der Hydromaschine den zeitlichen Verlauf der Verdrängung V, wie zuvor in 1 beschrieben. Nach der Erfindung weist die Hydromaschine mindestens zwei Verdrängereinrichtungen auf. In diesem Fall stellt 4 einen zeitlichen Verlauf der Summe der Verdrängungen G1b der miteinander korrespondierenden Druckräume verschiedener Verdrängereinrichtungen dar. Diese Summe ist eine rechnerische Größe und wird anhand der 7 weiter unten erläutert.
5 zeigt ebenso wie 2 den zeitlichen Verlauf der Durchflußfläche der Kommutierungseinrichtung G2b.
In diesem Fall jedoch ist die den Verdrängereinrichtungen zugeordnete Durchflußfläche der Kommutierungseinrichtung dem zeitlichen Verlauf der Summe der Verdrängungen zugeordnet. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der zeitliche Verlauf G1b aus 4 und der zeitliche Verlauf G2b aus 5 in Phase gebracht. In diesem Fall fällt der Wechsel von einer kontrahierenden Arbeitsphase zu einer expandierenden Arbeitsphase, hervorgerufen durch die Summe aller miteinander korrespondierenden Druckräume der Verdrängereinrichtungen, mit dem Zeitpunkt zusammen, bei dem die zugeordnete Durchflußfläche der Kommutierungseinrichtung minimal ist.
6 zeigt den resultierenden Druckverlauf G3b, dem die miteinander korrespondierenden Druckräume der Verdrängereinrichtungen ausgesetzt sind. Im Vergleich zu 3, Kurve G3a werden bei gleichen Parametern unerwünschte Druckschwankungen im Inneren der Hydromaschine gemäß Kurve G3b vermieden. Die gemessene Kurve des Druckverlaufs G3b nimmt nahezu die ideale Form der theoretischen Kurve G3c als Sprungfunktion an. Der Druckverlauf G3b wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Maschine aus. Durch geringe Druckschwankungen in der Maschine verbessert sich die Drehzahlstabilität und die Drehmomentstabilität im stationären Betrieb. Auch wird mit dem Verfahren eine Verbesserung des Anlaufdrehmoments geschaffen im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik. Der Grund hierfür ist die Korrektur der nicht synchronisierten Kommutierung.
Anhand von 7 wird verdeutlicht, wie die Summe der Verdrängungen der miteinander korrespondierenden Druckräume der verschiedenen Verdrängereinrichtungen zustande kommt. Kurve G1b ist bereits aus 4 und Kurve G3b aus 6 bekannt. Die Kurve G1c zeigt den zeitlichen Verlauf der Verdrängung eines Druckraums einer ersten Verdrängereinrichtung. Entsprechend zeigt die Kurve G1d den zeitlichen Verlauf der Verdrängung eines mit dem ersten Druckraum korrespondierenden zweiten Druckraums einer zweiten Verdrängereinrichtung. Die Kurve G1b entsteht aus der Addition der Kurven G1c und G1d. Die zeitlichen Verläufe G1c und G1d sind so gewählt, daß die Kurve G1b in Phase und frequenzgleich mit dem zeitlichen Druckverlauf G3b ist. Dies bedeutet, daß die zeitlichen Verläufe der Verdrängungen der miteinander korrespondierenden Druckräume der einzelnen Verdrängereinrichtungen phasenverschoben gegeneinander sein können. In dem vorliegenden Beispiel ist die Kurve G1d um 10° voreilend und die Kurve G1c um 10° nacheilend gegenüber der Kurve G3b der Kommutierungseinrichtung. Die Phasenverschiebungen der einzelnen Verdrängereinrichtungen werden mit Hilfe einer Verstellvorrichtung an der ersten und der zweiten Verdrängereinrichtung eingestellt. Wird in einem anderen Anwendungsfall die Kommutierungseinrichtung verstellt, so verschiebt sich die Kurve G3b. Diese kann ebenfalls so eingestellt werden, daß die Kurven G1b und G3b wiederum in Phase zueinander sind. Bei mehr als zwei Verdrängereinrichtungen ergibt sich die Kurve G1b entsprechend aus der Addition der zeitlichen Verläufe der Verdrängungen der miteinander korrespondierenden Druckräume der Verdrängereinrichtungen.
8 zeigt eine Hydromaschine 1 als Rotationsmaschine mit zwei Verdrängereinrichtungen, die als Zahnradsätze 2, 3 ausgebildet sind.
Die Zahnradsätze 2, 3 weisen Zahnradrotoren 4, 5 auf, die über eine Kardanwelle 6 miteinander verbunden sind und somit in gleicher Drehrichtung rotieren. Die beiden Zahnradrotoren 4, 5 treiben eine Welle 7 an, die mit einem der Zahnradrotoren 4 in Verbindung steht. Es bilden sich Druckräume zwischen den Zahnradrotoren 4, 5 und Zahnradringen 9, 10 deren Geometrie sich zeitlich durch die exzentrisch rotierenden Zahnradrotoren 4, 5 ändern, wobei expandierende Druckräume mit einem Fluideinlaß und komprimierende Druckräume über eine Kommutierungseinrichtung in Form einer Kanalplatte 11 mit einem Fluidauslaß in Verbindung stehen.
Die Anzahl der Kanäle 12 in der Kanalplatte 11 in 9 entspricht der Anzahl der Druckräume eines Zahnradsatzes, wobei die Anzahl der Druckräume bei allen Zahnradsätzen identisch ist. Zwischen den Zahnradsätzen kann das Fluid frei fließen. Die Kanalplatte 11 kann bezüglich ihres geometrischen Mittelpunktes 13 rotatorisch begrenzt verstellt werden. Hierzu dienen Langlöcher 14. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten, zum Beispiel Spannfedern oder hydraulische Mittel denkbar.
In 10 ist ein Zahnradring 9, 10 dargestellt. Der Zahnradring 9, 10 wird durch feststehende Stifte 8 gehalten und besteht aus einem äußeren Zahnradring 9a bzw. 10a und einem inneren Zahnradring 9b bzw. 10b. Der Zahnradring 9, 10 ist gegenüber einem Gehäuse 15 rotatorisch bezüglich seines geometrischen Mittelpunktes 16 begrenzt verstellbar. Dies wird durch Freiräume 17 zwischen dem äußeren Zahnradring 9a bzw. 10a und dem inneren Zahnradring 9b bzw. 10b ermöglicht. Beim Verstellen des Zahnradrings 9, 10 kommt es darauf an, daß sich der innere Zahnradring 9b bzw. 10b bewegt, um eine Veränderung der fluiddurchströmten Druckräume zwischen dem inneren Zahnradring 9b bzw. 10b und dem Zahnradrotor 4 bzw. 5 zu ermöglichen, um so die Verdrängung in der Hydromaschine steuern zu können.
Es können mindestens zwei der Elemente Kanalplatte 11 und Zahnradringe 9, 10 mit einer Verstellvorrichtung rotatorisch verstellt werden. Eine erste Möglichkeit besteht darin, daß die beiden Zahnradringe 9, 10 verstellt werden und die Kanalplatte 11 nicht verstellt wird. Auch ist es Möglichkeit daß nur ein Zahnradring z.B. 9 und zusätzlich die Kanalplatte 11 verstellt wird. Es können auch beide Zahnradringe 9, 10 und zusätzlich die Kanalplatte 11 verstellt werden.
Mit einer hydraulischen Verstellvorrichtung können die verstellbaren Einrichtungen so mit einem Druckmittel beaufschlagt werden, daß sie eine Verstellbewegung ausführen. Hierbei werden beispielsweise ein oder mehrere Freiräume 17 angesteuert, für eine Drehrichtung und ein oder mehrere gegenüberliegende Freiräume 17 mit Druck beaufschlagt für eine entgegengesetzte Drehrichtung. Diese Ansteuerung ist gleichzeitig für mehrere Einrichtungen anwendbar, wobei sowohl gleichsinnige wie auch gegensinnige Verstellbewegungen möglich sind. Bei einer hydraulischen Verstellvorrichtung können zwei Verstellpositionen an den Einrichtungen realisiert werden. Somit ist diese Verstellvorrichtung für eine Hydromaschi ne mit zwei Drehzahlbetrieben geeignet. Mit einer sehr feinstufigen Regelung des hydraulischen Mittels, beispielsweise mit einem Servoregler, ist es auch möglich, die Verdrängung kontinuierlich zu regeln, so daß die Hydromaschine in einem kontinuierlichen Drehzahlbereich bei Vermeidung von transienten Druckschwankungen eingesetzt werden kann.
Bei einer mechanischen Verstellvorrichtung mit beispielsweise Nocken oder ineinandergreifende Bauteile kann zusätzlich zu einem Betrieb mit zwei Drehzahlen noch der Betrieb um den Zwischenbereich erweitert werden, wenn die mechanische Verstellvorrichtung eine stufenlose kontinuierliche Verstellmöglichkeit vorsieht. Ein solches Beispiel ist schematisch in 11 gezeigt. Dabei sind die beiden Zahnradringe 9, 10 nur schematisch dargestellt. Der innere Aufbau mit der Unterscheidung zwischen den äußeren Zahnradringen 9a und 10a und den inneren Zahnradringen 9b und 10b ist nicht dargestellt. Auch fehlen bei dieser Darstellung die Zahnradrotoren 4, 5. Mit Hilfe eines Führungsstiftes 22, der in dem Gehäuse 15 der Hydromaschine geführt wird, werden zwei Zahnradringe 9, 10 gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen verdreht. Der Stift 22 greift dabei in eine Geometrie in Form einer in Umfangsrichtung schrägen über die Länge des äußeren Zahnradrings 9a bzw. 10a vorhandenen Längsvertiefung 23 bzw. 24. Das Verdrehen geschieht kontinuierlich und erlaubt inkrementale Zwischenschritte, so daß mit dieser Verstellmöglichkeit eine kontinuierliche Drehzahländerung möglich ist und die Hydromaschine mit mehr als zwei Drehzahlen betrieben werden kann.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Verdrängung in einer Hydromaschine mit einer Kommutierungseinrichtung und mit fluiddurchströmten, von Verdrängereinrichtungen gebildeten expandierenden und kontrahierenden Druckräumen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydromaschine eine Gruppe von Einrichtungen aufweist, zu der eine Kommutierungseinrichtung und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen gehören, wovon mindestens zwei der Einrichtungen relativ zueinander verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen in Phase gebracht wird mit dem zeitlichen Druckverlauf des zugeordneten Bereichs der Kommutierungseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Summe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen mit gleicher Frequenz erzeugt wird wie der zeitliche Druckverlauf des zugeordneten Bereichs der Kommutierungseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Verläufe der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen außer Phase gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Maximalwerte der Verdrängungen von miteinander korrespondierenden Druckräumen verschiedener Verdrängereinrichtungen betragsgleich erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Maximalwerte der Verdrängung eines Druckraums betragsgleich in einer expandierenden und in einer kontrahierenden Arbeitsphase erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rotationsmaschine mindestens jeweils ein Element von mindestens zwei Einrichtungen rotatorisch in Umfangsrichtung relativ zueinander mit unterschiedlichen Drehwinkeln verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung bezüglich ihrer Kommutierungsachse und die Verdrängereinrichtungen bezüglich ihrer jeweiligen Exzentrizitätsachse durch jeweils einen Drehwinkel verstellt werden, wobei die Kommutierungsachse und die Exzentrizitätsachsen in ihrer Ausgangsposition übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizitätsachsen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Verdrängungen der Verdrängereinrichtungen mit entgegengesetzten Verstellrichtungen verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsachse aus ihrer Ausgangsposition um die Hälfte der Summe aller Drehwinkel der verstellten Exzentrizitätsachsen verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen mit einer Verstellvorrichtung verstellt werden.
Hydromaschine, die eine Kommutierungseinrichtung und fluiddurchströmte, von Verdrängereinrichtungen gebildete expandierende und kontrahierende Druckräume aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydromaschine (1) eine Gruppe von Einrichtungen aufweist, zu der eine Kommutierungseinrichtung (11) und mindestens zwei Verdrängereinrichtungen (2, 3) gehören, wovon mindestens zwei der Einrichtungen mit einer Verstellvorrichtung relativ zueinander verstellbar sind.
Hydromaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung mechanische, hydraulische, elektrische oder magnetische Mittel aufweist.
Hydromaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung mechanische Betätigungselemente (22, 23, 24) aufweist.
Hydromaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Freiräume (17) zwischen einem verstellbaren Element der Einrichtung und einem feststehenden Bauteil der Einrichtung mit hydraulischem Mittel beaufschlagbar sind.
Hydromaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen stufenlos verstellbar sind.
Hydromaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydromaschine (1) als Rotationsmaschine ausgebildet ist und die Hydromaschine (1) eine Kommutierungseinrichtung (11) und mindestens zwei Zahnradsätze (2, 3) mit jeweils einem Zahnrad (4, 5) und jeweils einem Zahnradring (9, 10) aufweist, wobei die Kommutierungseinrichtung (11) und mindestens zwei Zahnradringe (9, 10) eine Gruppe von Elementen bilden, wovon mindestens zwei der Elemente rotatorisch in Umfangsrichtung mit der Verstellvorrichtung relativ zueinander verstellbar sind.
Hydromaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Verdrängungen der Zahnradsätze (2, 3) umgekehrt proportional zu Verdrehwinkeln in entgegengesetzte Richtungen der verstellten Zahnradringe (9, 10) ist.
Hydromaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung (11) um die Hälfte der Summe aller Drehwinkel der verstellten Zahnradringe (9, 10) drehbar ist.
Hydromaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Freiräume (17) in mindestens einem Zahnradring (9, 10) mit einem äußeren Zahnradring (9a, 10a) und einem inneren Zahnradring (9b, 10b) vorgesehen sind.
Hydromaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einrichtungen mit einer einzigen Verstellvorrichtung verstellbar sind.