DE102004033376B3

DE102004033376B3 - Axialkolbenmaschine mit einer Einrichtung zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens

Info

Publication number: DE102004033376B3
Application number: DE102004033376A
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Thoms; Carsten Fiebing; Bernd Hames; Martin Wüstefeld
Original assignee: Sauer Danfoss Neumunster and Co oHG GmbH
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-07-10
Also published as: US7299738B2; US20060008358A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer mittels Servolkolben verstellbaren Schrägscheibe oder einer Schrägachse mit Ventilsegment und einer Verstelleinheit zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens. Die Verstelleinheit umfasst elektrisch betätigbare Proportionalmagnete und einen Regelkolben zur Steuerung des die Servokolben bewegenden Öldrucks. Die Proportionalmagnete wirken längs einer gemeinsamen Stößelachse auf den Regelkolben, wobei eine Rückführeinrichtung zur Rückmeldung der aktuellen Schrägscheiben- oder Schrägachsen-Ventilsegment-Position auf den Regelkolben vorgesehen ist. Die Rückführeinrichtung umfasst Federhebel 6, 6', die um eine Achse schwenkbar sind, wobei die Federhebel 6, 6' auf der Schwenkachse 5 jeweils mit einer Lagerschale 15 gelagert sind, die jeweils aus zwei Teilschalen besteht, die den Federhebel 6, 6' an getrennten Stellen auf der Schwenkachse 5 abstützen, und die jeweils im Wesentlichen einen Halbraum um die Schwenkachse 5 umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Einrichtung zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.

Axialkolbenmaschinen wie Hydraulikpumpen und -Motoren, im offenen oder geschlossenen Kreis, in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauweise werden vielfach mit einer elektrisch proportionalen Verstellung angesteuert. Das Eingangssignal in diese Verstelleinheit ist ein elektrischer Strom. Ihr Ausgangssignal ist ein hydraulischer Druck. Der ausgehende Öldruck wirkt auf Servokolben der Axialkolbenmaschine, die sich dadurch längs ihrer Bewegungsachse verschieben. Diese Bewegung wird bspw. auf eine Schrägscheibe übertragen, die durch Veränderung ihrer Winkelposition das Fördervolumen der Axialkolbenmaschine verändert.

Die aktuelle Position der Schrägscheibe oder Schrägachse wird über ein mechanisches Rückführsystem an die elektrisch angesteuerte Verstelleinheit zurückgeführt. Durch diese Positionsrückführung wird der Regelkreis geschlossen und sichergestellt, dass sich auch das Fördervolumen der Axialkolbenmaschine zum elektrischen Strom an der Verstelleinheit proportional verhält. Das System weist einen Regelkolben auf, der durch mindestens einen Proportionalmagneten bewegt, in der Regel aber durch zwei an seinen Stirnflächen gegenüberliegend angeordneten Proportionalmagnete längs seiner Bewegungsachse verschoben wird, und dadurch Kanäle in der Weise verbindet oder trennt, dass Öl mit einem bestimmten Druck zur Verschiebung der Servokolben zur Verfügung steht. Bei bekannten Axialkolbenmaschinen ist hierfür ein Hebel- und Federsystem vorgesehen, das die Rückführung des Winkels der Schrägscheibe bzw. des Ventilsegments relativ zur Schrägachse auf den Regelkolben sicherstellt.

Bekannte Rückführmechanismen weisen konstruktiv bedingte Probleme auf. Zum einen beeinträchtigt wegen des sensiblen Kräftegleichgewichts jede Form der mechanischen Hysterese zwischen Hebeln, Federn und Proportionalmagneten die erwünschte proportionale Verstell-Charakteristik, zum anderen benötigen bisherige Lösungen je nach Baugröße der Axialkolbenmaschine unterschiedlich dimensionierte Verstelleinrichtungen, die wegen der verwendeten Hebelwerke zu teilweise großen Baubreiten führen. Die Proportionalmagnete liegen dann entsprechend weit auseinander. Da sie an exponierter Stelle der Axialkolbenmaschine montiert sind, erhöht dies die Gefahr ihrer Beschädigung und macht den Einsatz solcher Verstelleinheiten auf Axialkolbenmaschinen mit geringem Fördervolumen und entsprechend geringem Bauraum ungeeignet.

Aus der Druckschrift DE 24 56 381 A1 ist eine Axialkolbenmaschine mit einer Einrichtung zur Verstellung des Fördervolumens bekannt, die einen Steuerschieber umfasst, der durch Elektromagnete in zwei Richtungen längs einer gemeinsamen Achse verschiebbar ist. Die Steuerkanten des Steuerschiebers verbinden dabei abwechselnd die zum Kolben eines Servomotors führenden Leitungen mit Ablauf- bzw. Druckleitungen, wodurch der Kolben des Servomotors in die eine oder andere Richtung verschoben und das Fördervolumen der Pumpe entsprechend verstellt wird. Der Steuerschieber ist über eine als Zug- und Druckfeder wirkende Rückstellfeder mit dem Kolben eines Servomotors verbunden. Die bei Verstellung zunehmende Kraft der Rückstellfeder stellt letztlich Steuerkolben und Elektromagnete in ihre Ausgangslagen zurück.

Die Druckschrift WO 03/095831 A1 beschreibt eine Verstellvorrichtung für hydrostatische Kolbenmaschinen. Mit dem Stößel eines Proportionalmagneten werden Druckleitungen zur Verstellung eines Stellkolbens freigegeben, der über einen zangenartigen Stellhebel mit dem Regelkolben verbunden ist. Bei Verstellung des Stellkolbens werden bis zum Erreichen eines Kräftegleichgewichts die zangenartigen Arme des Stellhebels gegen die Federkraft einer Zugfeder aufgespreizt. Wenn das auslenkende Steuersignal am Magneten zurück genommen wird, bewirken die Federkräfte einer am Stellkolben vorgesehenen Rückstellfeder und der an den zangenartigen Armen des Stellhebels angebrachten Zugfeder, dass die Verstelleinrichtung in ihre Ausgangslage zurückkehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine mit verbessertem Verstellsystem zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit der Axialkolbenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß besitzt die Axialkolbenmaschine eine mittels Servokolben verstellbare Schrägscheibe oder im Falle einer Schrägachsenmaschine ein entsprechendes Ventilsegment sowie eine Verstelleinheit zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens, wobei die Verstelleinheit elektrisch betätigbare Proportionalmagnete und einen Regelkolben zur Steuerung des die Servokolben bewegenden Öldrucks umfasst, und die Proportionalmagnete längs einer gemeinsamen Stößelachse auf diesen Regelkolben wirken. Es ist eine Rückführeinrichtung zur Rückmeldung der aktuellen Schrägscheiben- bzw. Schrägachsen-Position vorgesehen. Die Rückführeinrichtung umfasst Federhebel, die um eine Achse schwenkbar sind. Die Federhebel sind auf der Schwenkachse jeweils mit einer Lagerschale gelagert, die jeweils aus zwei Teilschalen besteht, die den Federhebel an getrennten Stellen auf der Schwenkachse abstützen. wobei jede Lagerschale im wesentlichen einen Halbraum um die Schwenkachse umschließt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung umfasst die Rückführeinrichtung der Axialkolbenmaschine einen als zweiarmigen Hebel ausgebildeten Zeiger, der um die mit den Federhebeln gemeinsame Achse schwenkbar ist, wobei der Zeiger auf der einen Seite der Schwenkachse in den Regelkolben und auf der anderen Seite zwischen die Federhebel greift. Damit ergibt sich ein weitgehend kippmomentfreies Hebelsystem, mit dem eine reproduzierbare Rückführung der aktuellen Schwenkscheibenposition möglich ist.

Um die Reibungskräfte zu mindern, kann der Zeiger auf den Federhebeln gelagert werden. Außerdem sind der Zeigerkopf und die Auflageflächen der Federhebel, an denen der Zeiger anliegt, speziell auf Reibungsminderung hin bearbeitet, bspw. reibmindernd beschichtet. Der Zeigerkopf kann dabei zylindrisch oder kugelig ausgebildet sein oder auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Vorzugsweise wird das in den Regelkolben eingreifende Ende des Zeigers kugelig in einer entsprechenden Bohrung des Regelkolbens geführt, wobei der Eingriffspunkt des Zeigers in den Regelkolben außerhalb der Kolbenmittellinie liegt, so dass ein Verdrehen des Regelkolbens vermieden wird. Der Eingriffspunkt des Zeigers in den Regelkolben liegt dabei auf der Stößelachse der Magnete, so dass auch diesbezüglich Kippmomente vermieden werden.

Der Regelkolben weist vorzugsweise eine Längsbohrung auf, die exzentrischem Eingriff des Zeigers zentrisch längs der Mittellinie des Regelkolbens zum Abführen von Leckageöl ausgebildet sein kann.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Verstelleinrichtung eine ganze Baureihe von Axialkolbenmaschinen unterschiedlicher Fördervolumina abgedeckt werden kann, wobei für alle Modelle der Baureihe ein und dieselbe Verstelleinrichtung verwendet werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen:
1: Die Verstelleinrichtung der Axialkolbenmaschine im Querschnitt
2: Die Verstelleinrichtung der Axialkolbenmaschine in einem zu 1 senkrechten Schnitt.
3a, 3b, 3c, 3d: Die Lagerung der Federhebel und des Zeigers nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen Querschnitt durch die Verstelleinrichtung 1. Mittels Proportionalmagneten wird ein Regelkolben 2 längs einer Bewegungsachse senkrecht zum gezeichneten Querschnitt verstellt, so dass ein auf den hier nicht gezeigten Servokolben wirkender Öldruck bereitgestellt wird. Ein als zweiarmiger Hebel ausgebildeter Zeiger 3 greift in den Regelkolben 2 ein, der mit seiner Bewegung den Zeiger 3 um die Schwenkachse 5 dreht. Der Zeiger 3 ist dabei mit einer Kugelführung 4 in einer Bohrung des Regelkolbens 2 außerhalb dessen Bewegungsachse und Mittellinie geführt.
Ebenfalls auf der Schwenkachse 5 ist beiderseits des Zeigers 3 je ein Federhebel 6, 6' gelagert, wobei diese Lagerung in Form von Lagerschalen so ausgebildet ist, dass Kippmomente so weit wie möglich vermieden werden. Solche Kippmomente können durch die Kräfte entstehen, die vom Regelkolben 2 und durch die Zugfeder 7, welche die Federhebel gegeneinander spannt, auf die Federhebel 6, 6' ausgeübt werden. Die Lagerschalen sind dabei so ausgebildet, dass sie sich an getrennten Stellen auf der Achse abstützen.
Die Schwenkachse 5 wird durch einen stiftförmigen zylindrischen Achsbolzen 8 gebildet, der beiderseits im Gehäuse gelagert ist und in seinem mittleren Teil, an dem die Federhebel 6, 6' und der Zeiger 3 gelagert sind, einen exzentrischen Abschnitt 9 aufweist. Die Exzentrizität ist dabei so bemessen, dass durch Verdrehen des Achsbolzen 8 eine ausreichende Verschiebung der Schwenkachse 5 ermöglicht wird, um die Nullposition einjustieren zu können. Wegen des geringen Versatzes ist in der zeichnerischen Darstellung nicht zwischen der Schwenkachse 5 und der Drehachse des Achsbolzens 8 extra unterschieden.
In den gabelartigen, der Schwenkachse 5 abgewandten Enden 10 der Federhebel 6, 6' ist die Zugfeder 7 eingespannt. An den Anlageflächen 11, 11' der Federhebel 6, 6' liegen zum einen der Zeigerkopf 14 und, soweit die Anlageflächen 11, 11' über diesen hinausgehen, ein nichtgezeichneter, mit der Schrägscheibe verbundener Stift an, der die Winkelposition der Schrägscheibe auf die Federhebel 6, 6' überträgt. Seine Schwenkbewegung ist dabei im wesentlichen senkrecht auf die Zeichenebene der 1 gerichtet.
Der Regelkolben 2 hat eine definierte Ausgangsstellung. Sie wird durch die beiden Federhebel 6, 6' den als zweiarmigen Hebel ausgebildeten Zeiger 3 die Zugfeder 7, die Schwenkachse 5 und eine Verbindung zur Schrägscheibe in folgender Weise hergestellt: Die Federhebel 6, 6' und der Zeiger 3 sind gemeinsam und drehbar auf der Schwenkachse 5 gelagert. Die Federhebel 6, 6' sind dabei an ihren Enden mit einer Zugfeder 7 verbunden, welche die Federhebel 6, 6' im Sinne einer sich schließenden Klammer aufeinander zuzieht, wobei die Federhebel 6, 6' das eine Ende des Zeigers 3 und zugleich den mechanischen Kontakt zur Schrägscheibe, die durch starke Federkräfte in ihre Ausgangslage gedrückt wird, umschließen. Bei um den Kontakt zur Schrägscheibe geschlossener Klammer ist auch der Zeiger 3 mit seinem dazwischen liegenden Ende von den Federhebeln 6, 6' so eingeklammert, dass sein Spiel zwischen ihnen praktisch Null ist. Mit seinem anderen Ende greift der Zeiger 3 in den Regelkolben 2 ein und hält diesen so in seiner Ausgangsstellung. In dieser Ausgangsstellung führt der Regelkolben 2 kein Öl zum Servokolben, und die Schrägscheibe wird durch starke Federn in der neutralen Lage gehalten.
Damit in Neutrallage der Regelkolben 2 den Servokolben tatsächlich kein Öl zur Verfügung stellt ist die Position des Zeigers 3, der durch die Federhebel 6, 6' an einem Ende bereits relativ zu Schrägscheibe ausgerichtet ist, entsprechend einzustellen. Dies geschieht durch Verlagerung der Schwenkachse 5.
Fließt durch einen der Proportionalmagnete 12, 12' ein hinreichend großer elektrischer Strom, so wird der Regelkolben durch den Stößel des Proportionalmagneten entlang seiner Bewegungsachse verschoben. Dies zwingt den Zeiger 3 sich um die Schwenkachse 5 zu drehen, und die aus den Federhebeln 6, 6' und der Zugfeder 7 gebildete Klammer zu spreizen. Dabei behält der eine Federhebel 6 den mechanischen Kontakt zur Schrägscheibe, während der andere Federhebel 6' sich gleichsinnig mit dem Zeiger 3 um die Schwenkachse 5 dreht und damit den mechanischen Kontakt zur Schwenkscheibe aufgibt.
In der Folge wird aufgrund der Regelkolbenbewegung Öl zu den Servokolben der Axialkolbenmaschine geführt und die Schrägscheibe geschwenkt. Die ölführenden Verbindungen sind zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass die Bewegung der Schrägscheibe über den mechanischen Kontakt zu dem noch anliegenden Federhebel 6 diesen zu einer dem anderen Federhebel 6' gegensinnigen Drehung veranlasst. Dadurch zieht die gedehnte Zugfeder 7 den zuvor durch den Proportionalmagneten und den Zeiger 3 ausgelenkten Federhebel 6' samt Zeiger 3 und Regelkolben 2 in ihre Ausgangslage zurück. Dabei stehen die Federkraft und die Kraft des Proportionalmagneten in Balance und jedem Kraftniveau ist eine bestimmte Position der Schrägscheibe zugeordnet.
Die 2 zeigt die Verstelleinrichtung in einem zu 1 senkrechten Schnitt. Für gleiche Bauteile werden im folgenden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 beibehalten. In der Verstelleinrichtung 1 wird der Regelkolben 2 durch Proportionalmagnete 12, 12' verschoben, wobei über die Kanäle 13, 13' ein den Regelkolben versorgender Ölstrom bereitgestellt wird.
Der Zeiger 3 greift auf einer Seite seiner Schwenkachse 5 in eine Bohrung des Regelkolbens 2 ein, wobei zur Vermeidung von Kippmomenten und um eine Verdrehung des Kolbens zu verhindern, der Eingriffspunkt seines kugelförmig ausgebildeten Endes 4 auf der Stößelachse der Magnete 12, 12' und somit versetzt zur Mittellinie des Regelkolbens liegt. Dort ist eine zentrische Längsbohrung vorgesehen, über die Öl abgeführt wird, das durch unvermeidliche Leckagen austritt.
Der Zeiger 3 greift auf der dem Regelkolben 2 abgewandten Seite der Schwenkachse zwischen die Federhebel 6, 6' und liegt mit seinem Kopf 14 an einem Teil der Anlageflächen 11, 11' an, die zur Vermeidung von Abrieb speziell bearbeitet, insbesondere beschichtet sind. Das gleiche gilt für den Zeigerkopf 14, der im gezeigten Beispiel kreiszylindrisch ist, aber auch mit rechteckigem Querschnitt oder kugelförmig ausgebildet sein kann. An dem über den Zeigerkopf hinausgehenden Teil der Anlageflächen 11, 11' liegt ein mit der Schrägscheibe verbundener, deren Winkelposition übertragender Stift (nicht dargestellt) an. Bei Bewegung des Regelkolbens 2 drückt der Zeigerkopf 14 die Federhebel 6, 6' gegen den Widerstand des mit der Schrägscheibe verbundenen Stifts auseinander.
Die 3a bis 3d zeigen verschiedene Ansichten der erfindungsgemäßen Ausführung der Verstelleinrichtung 1. Der Zeiger 3 greift auf einer Seite seiner Schwenkachse 5 in den Regelkolben 2 und auf der anderen Seite mit dem zylindrischen Zeigerkopf 14 zwischen die Federhebel 6, 6 und liegt dort an den beschichteten Anlageflächen 11, 11' an. Federhebel 6, 6' und Zeiger 3 sind jeweils unmittelbar an dem exzentrischen Teil 9 des Achsbolzens 8 gelagert. Die Federhebel 6, 6' sind gekröpft, greifen vor der Schwenkachse 5 jeweils auf die gegenüberliegende Seite des Zeigers 3 über und bilden jeweils eine Lagerschale 15, von denen jede wiederum aus zwei getrennten Teilschalen besteht, zwischen denen der Zeiger 3 aufgenommen wird. Die Lagerschalen 15 umschließen im wesentlichen, d.h. bis auf einen für eine ausreichende Spreizung der Federhebel erforderlichen Freiwinkel jeweils einen Halbraum um die Schwenkachse 5. Damit ergibt sich eine sehr kompakte symmetrische Lagerung, mit der die Federhebel 6, 6' praktisch nicht verkippen können, weil sie sich über die geteilten Lagerschalen 15 jeweils zweifach auf der Schwenkachse abstützen.
Mit der Erfindung ergibt sich eine sehr kompakt bauende, präzise justierbare und kippsichere Verstelleinrichtung, wobei eine ganze Baureihe von Axialkolbenmaschinen unterschiedlicher Fördervolumina mit ein und derselben Verstelleinrichtung abgedeckt werden kann.

1: Verstelleinrichtung
2: Regelkolben
3: Zeiger
4: Kugelführung
5: Schwenkachse
6, 6': Federhebel
7: Zugfeder
8: Achsbolzen
9: exzentrischer Abschnitt des Achsbolzens
10: Gabel des Federhebels
11: Anlagefläche
12, 12': Proportionalmagnete
13, 13': Kanal zur Ölversorgung des Regelkolbens
14: Zeigerkopf
15: Lagerschale

Claims

Axialkolbenmaschine mit einer mittels Servokolben verstellbaren Schrägscheibe oder Schrägachse mit Ventilsegment und einer Verstelleinheit zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens, wobei die Verstelleinheit elektrisch betätigbare Proportionalmagnete 12, 12' und einen Regelkolben 2 zur Steuerung des die Servokolben bewegenden Öldrucks umfasst, wobei die Proportionalmagnete 12, 12' längs einer gemeinsamen Stößelachse auf den Regelkolben 2 wirken und eine Rückführeinrichtung zur Rückmeldung der aktuellen Schrägscheiben- oder Schrägachsen-Ventilsegment-Position auf den Regelkolben 2 vorgesehen ist, und die Rückführeinrichtung Federhebel 6, 6' umfasst, die um eine Achse 5 schwenkbar sind, wobei die Federhebel 6, 6' auf der Schwenkachse 5 jeweils mit einer Lagerschale 15 gelagert sind, die jeweils aus zwei Teilschalen besteht, die den Federhebel 6, 6' an getrennten Stellen auf der Schwenkachse 5 abstützen, und die jeweils im wesentlichen einen Halbraum um die Schwenkachse 5 umschließt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Rückführeinrichtung einen als zweiarmigen Hebel ausgebildeten Zeiger 3 umfasst, der um die Schwenkachse 5 schwenkbar ist, wobei der Zeiger 3 auf der einen Seite der Schwenkachse 5 in den Regelkolben 2 und auf der anderen Seite zwischen die Federhebel 6, 6' greift.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, wobei der Zeiger 3 auf den Federhebeln 6, 6' gelagert ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Zeigerkopf 14 und Flächen 11, 11' der Federhebel 6, 6', an denen der Zeiger 3 mit dem Zeigerkopf 14 anliegt, zur Reibminderung gesondert bearbeitet, insbesondere beschichtet sind.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, wobei der Zeigerkopf 14 zylindrisch ausgebildet ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, wobei der Zeigerkopf 14 kugelig ausgebildet ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, wobei der Zeigerkopf 14 rechteckigen Querschnitt aufweist.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das in den Regelkolben 2 eingreifende Ende des Zeigers 3 kugelig ausgebildet ist.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Eingriffspunkt des Zeigers 3 in den Regelkolben 2 außerhalb der Kolbenmittellinie liegt.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Eingriffspunkt des Zeiger 3 den Regelkolben 2 auf der Stößelachse der Magneten 12, 12' liegt.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Regelkolben 2 seiner Länge nach eine Bohrung aufweist, durch die Leckageöl abführbar ist.
Baureihe von Axialkolbenmaschinen unterschiedlicher Fördervolumina nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei für alle Modelle der Baureihe dieselbe Verstelleinrichtung vorgesehen ist.