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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Rotationsmaschine mit einer
Welle, die in einem Lager gelagert ist, wobei ein Geber eines Drehzahlmessers
an der Welle angeordnet ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines hydraulischen Motors als
Beispiel für
eine hydraulische Rotationsmaschine beschrieben. Sie ist aber auch
bei anderen hydraulischen Rotationsmaschinen anwendbar, beispielsweise
Pumpen oder Getrieben.
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In
zunehmendem Maße
werden hydraulische Motoren bei Steuerungsaufgaben verwendet oder
in Regelkreise eingebaut. Dementsprechend benötigt man eine Information über das
Betriebsverhalten des Motors.
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So
zeigt beispielsweise
DE
39 12 277 C2 eine hydraulische Rotationsmaschine der eingangs genannten
Art, bei der ein Drehzahlmesser vorgesehen ist, um zwei hydraulische
Motoren in einen Regelkreis einzubinden. Als Geber für den Drehzahlmesser
können
unterschiedliche Ausgestaltungen verwendet werden. Angegeben sind
ein in die Stirnseite der Welle eingesetzter Stift, eine koaxial
zur Welle angeordnete Nockenscheibe und ein exzentrischer Zapfen,
der an die Welle angeformt ist. Alternativ werden die Zähne eines
Verdrängungszahnrades als
Geberelemente verwendet.
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DE 195 47 537 C1 zeigt
einen Gerotor-Motor mit Drehzahlabtastung. Der Gerotor-Motor weist
eine Verdrängereinheit
auf mit einem außenverzahnten Zahnrad
und einem innenverzahnten Zahnring. Zur Versorgung der zwischen
Zahnrad und Zahnring gebildeten Druckräume ist eine Steuerhülse vorgesehen,
die über
eine Kardanwelle angetrieben wird, die mit dem Zahnrad in Verbindung
steht. Die Kardanwelle treibt auch eine Ausgangswelle an. In der
Bohrung des Zahnrades, in die die Kardanwelle mit einer Verzahnung
eingreift, ist ein Geber angeordnet, der an einem Sensor vorbeigeführt wird.
Da das Zahnrad exzentrisch im Zahnring angeordnet ist und im Betrieb
orbitiert, kann man für
jede Umdrehung der Welle mehrere Impulse gewinnen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leicht austauschbare
Drehzahlmeßeinrichtung zur
Gewinnung von Informationen über
das Betriebsverhalten der Rotationsmaschine anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird bei einer hydraulischen Rotationsmaschine der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
daß der
Geber an einem Befestigungselement befestigt ist, mit dem die Welle
im Lager gehalten ist.
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Damit
kann man unmittelbar die Drehzahl der Welle erfassen. Dies ist eine
wesentliche Information über
das Betriebsverhalten des Motors. Man erhält eine zweigeteilte Geberanordnung.
Die Geberanordnung weist zum einen das Befestigungselement und zum
anderen den eigentlichen Geber auf. Man kann dann den Geber auf
seine eigentliche Funktion hin gestalten, ohne darauf Rücksicht
nehmen zu müssen,
daß er
eine Befestigungsfunktion wahrnehmen muß. Umgekehrt kann man das Befestigungselement
auf seine Befestigungsfunktion hin gestalten, ohne daß man hier
Rücksicht
auf Anforderungen nehmen muß,
die möglicherweise
dadurch bedingt sind, daß ein
Signal erzeugt werden muß. Eine
derartige Ausgestaltung erlaubt daher eine kostengünstige Fertigung
von hydraulischen Rotationsmaschinen. Man kann bei gleichartiger
Befestigung verschiedene Geber verwenden, die sich beispielsweise
in ihrer Auflösung
oder Genauigkeit voneinander unterscheiden. Auch wird die Reparatur
einer derartigen Maschine wesentlich einfacher. Man muß nicht
mehr das Befestigungselement von der Welle lösen. Die Maschine kann vielmehr
im zusammengebauten Zustand verbleiben. Man muß lediglich den Geber von dem
Befestigungselement lösen.
Dies ist ein wesentlich einfacherer Vorgang. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Kräfte,
mit denen der Geber am Befestigungselement befestigt ist, kleiner
sind als die Kräfte,
mit denen das Befestigungselement an der Welle befestigt ist.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß das
Befestigungselement ein Innengewinde aufweist, das auf ein Außengewinde
der Welle aufgeschraubt ist, wobei der Geber über eine außerhalb des Innengewindes angeordnete
Befestigungsgeometrie mit dem Befestigungselement verbunden ist.
Wenn das Befestigungselement auf die Welle aufgeschraubt wird, muß es mit
erheblichen Momenten angezogen werden. Dies bringt die Gefahr mit
sich, daß das
Befestigungselement verformt wird. Eine derartige Verformung könnte sich
außerordentlich
ungünstig
auf den Geber auswirken. Dies ist aber durch Zweiteilung der Geberanordnung
unkritisch. Man kann das Befestigungselement, das im folgenden auch
kurz als "Mutter" oder "Schraubring" bezeichnet wird,
so fest anziehen, daß es
durch eine Deformation von umgebendem Material festgehalten wird.
Danach kann der Geber mit erheblich weniger Kraft unmittelbar auf dem
Befestigungselement befestigt werden.
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Auch
ist von Vorteil, wenn das Befestigungselement eine Drehmomentangriffsflächenanordnung aufweist
und die Befestigungsgeometrie außerhalb der Drehmomentangriffsflächenanordnung
angeordnet ist. Beim Aufschrauben des Befestigungselements auf die
Welle greift dann ein Werkzeug an der Drehmomentangriffsflächenanordnung
an. Diese kann beispielsweise gebildet sein durch zwei oder mehr
Vertiefungen, die in einer Stirnseite des Befestigungselements ausgebildet
sind. Auch bei diesen Ausnehmungen besteht in einem gewissen Umfang ein
Risiko der Verformung. Dieses Risiko kann man aber ohne weiteres
in Kauf nehmen, weil die Befestigungsgeometrie, mit der der Geber
an der Mutter, dem Schraubring oder dem Befestigungselement befestigt
wird, außerhalb
dieser Drehmomentangriffsflächenanordnung
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist der Geber stirnseitig an das Befestigungselement angesetzt.
Dies erleichtert die Montage. Man muß den Geber lediglich stirnseitig
an das Befestigungselement heranführen und dann befestigen. Dies
ist in vielen Fällen
einfacher, als den Geber am Umfang des Befestigungselements zu befestigen,
weil man oft stirnseitig einen besseren Zugang hat.
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Vorzugsweise
ist der Geber über
Schrauben, deren Achse parallel zur Achse des Innengewindes gerichtet
ist, mit dem Befestigungselement verbunden. Das Befestigen oder
Lösen von
Schrauben ist ein relativ einfacher Vorgang, so daß der Geber
leicht ersetzt werden kann, falls dies erforderlich werden sollte.
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Bevorzugterweise
weist das Befestigungselement einen das Innengewinde umgebenden
Vorsprung auf, der in eine Innendurchmesservergrößerung des Gebers eingreift.
Diese Ausgestaltung hat zwei Vorteile. Zum einen kann die Bauhöhe des Befestigungselements
insgesamt klein gehalten werden, ohne die durch das Innengewinde
zur Verfügung gestellten
Haltemöglichkeiten überzubeanspruchen. Das
Innengewinde kann aufgrund des Vorsprungs eine ausreichende Länge aufweisen.
Trotzdem besteht eine Mög lichkeit,
den Geber an einer Stirnseitenfläche
des Befestigungselements zu befestigen.
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Vorzugsweise
durchragt der Vorsprung den Geber auf mindestens der Hälfte seiner
Dicke. Der Vorsprung hat dann zusätzlich eine Zentrierfunktion, d.h.
der Geber wird zentrisch auf der Welle gehalten. Dies verbessert
die Auflösegenauigkeit,
weil sich der Abstand zwischen dem Geber und einem außerhalb des
Gebers angeordneten Empfänger
nicht ändert.
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Bevorzugterweise überdeckt
ein Teil eines Schraubenkopfes einer zur Befestigung des Gebers am
Befestigungselement verwendeten Schraube den Vorsprung teilweise.
Der Geber wird dann nicht nur axial auf den den Vorsprung umgebenden
Teil des Befestigungselements gespannt, sondern auch auf die Stirnseitenfläche des
Vorsprungs.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Schraubenkopf bis zum Umfangsrand des Gebers.
Damit steht die größtmögliche Befestigungsfläche zur
Verfügung.
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Auch
ist von Vorteil, wenn die Schraube zumindest teilweise in den Geber
versenkt ist. Die Schraube stört
dann bei einer Rotationsbewegung der Welle nicht, kann sich also
auch nicht irgendwie verhaken oder eine Schaumbildung in einem Hydrauliköl verursachen.
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Vorzugsweise
weist der Geber eine Zahnstruktur auf. Eine Zahnstruktur ist mechanisch relativ
stabil. Der Geber ist in diesem Fall als passiver Geber ausgebildet,
d.h. man kann ein externes Signal, beispielsweise einen Lichtstrahl
auf den Geber richten. Die Zahnstruktur läßt dann den Lichtstrahl abwechselnd
zu einem Empfänger
passieren oder blockt ihn ab. Daraus ergibt sich dann ein Lichtstrahl mit
einer Frequenz, die man auswerten kann, um eine Information über die
Drehzahl der Welle zu erhalten. Diese Information kann dann gegebenenfalls in
die gewünschte
Maßeinheit
umgerechnet werden. Alternativ dazu kann die Zahnstruktur einen
derartigen Lichtstrahl natürlich
auch reflektieren, wobei ebenfalls ein moduliertes Signal erreicht
werden kann, das ausgewertet werden kann. Anstelle eines Lichtstrahls
kann man natürlich
auch andere Möglichkeiten
verwenden, beispielsweise die Zahnstruktur an einer elektrischen
oder magnetischen Erregungsanordnung vorbeilaufen zu lassen oder
die Zahnstruktur mit einem Nehmerelement kämmen zu lassen.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Zahnstruktur an der Umfangsfläche
des Gebers angeordnet ist. Dies macht die Anordnung eines Senders
und Empfängers,
die mit der Zahnstruktur zusammenwirken, besonders einfach.
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Auch
ist von Vorteil, wenn die Umfangsfläche gegenüber der Achse des Gebers um
einen Winkel im Bereich von 15 bis 75° geneigt ist. In diesem Fall kann
man beispielsweise einen Sender und einen Empfänger seitlich oder höhenmäßig versetzt
zueinander anordnen.
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Vorzugsweise
ist der Drehzahlmesser im Innern eines Maschinengehäuses angeordnet.
Man gewinnt also eine vollständige
Einheit, die neben der Funktion der Maschine auch gleich die Information über die
Drehzahl liefert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines hydraulischen Motors,
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2 eine
Draufsicht auf einen als Zahnrad ausgebildeten Geber,
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3 einen
Schnitt III–III
nach 2,
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4 eine
Ansicht auf ein Befestigungselement,
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5 einen
Schnitt V–V
nach 4 und
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6 einen
Schnitt VI–VI
nach 4.
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1 zeigt
in vereinfachter Darstellung einen hydraulischen Motor 1 mit
einer Welle 2, die einem Lager 3 gelagert wird.
Hierzu wird die Welle 2 durch das Lager 3 hindurchgesteckt.
Die übrigen
Bestandteile des Motors, insbesondere die Drehmomenterzeugungseinrichtung,
sind hier nicht näher dargestellt.
Auch ein Maschinengehäuse 4 ist
nur in 2 schematisch dargestellt. Es umgibt den Motor 1 zumindest
auf einem Teil seiner Welle und/oder bildet eine Abstützung für das Lager 3.
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Die
Welle 2 weist an ihrem im montierten Zustand aus dem Lager 3 herausragenden
Ende ein Außengewinde 5 auf,
auf das ein Befestigungselement in Form eines Gewinderings 6 aufgeschraubt werden
kann. Der Gewindering 6 weist, wie dies aus 6 zu
erkennen ist, ein Innengewinde 7 auf, das auf das Außengewinde 5 paßt. Zur
Befestigung der Welle 2 im Lager 3 wird der Gewindering 6 mit
einem erheblichen Moment angezogen. Dieses Moment kann so groß sein,
daß es
zu einer Deformierung des Gewinderings 6 führt. Wenn
der Gewindering 6 einmal montiert worden ist, ist er nicht
mehr verwendbar. Wenn er defekt ist, muß er durch einen neuen Gewindering
ersetzt werden. Zu diesem Zweck muß der Motor 1 dann
zumindest teilweise zerlegt werden.
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Zum
Anziehen des Gewinderings 6 weist der Gewindering zwei
größere Bohrungen 8 auf,
in die ein entsprechendes Werkzeug eingesteckt werden kann, um das
erforderliche Drehmoment auf den Gewindering 6 aufzubringen.
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Ferner
weist der Gewindering 6 mehrere Gewindelöcher 9 auf,
wobei in jedes Gewindeloch 9 eine Schraube 10 eingeschraubt
werden kann, wie dies nachstehend erläutert werden wird.
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Mit
Hilfe der Schrauben 10 kann ein Geber 11 auf dem
Gewindering 6 befestigt werden. Der Geber 11 weist
an seinem äußeren Umfang
eine Zahnstruktur aus Zähnen 12 und
Nuten 13 auf. Der Umfangsrand 14 des Gebers 11 ist
gegenüber
einer Achse 15 etwas geneigt, wobei der Neigungswinkel im
Bereich von 15 bis 75° liegt.
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Im
Maschinengehäuse 4 ist
ein Sender 16 angeordnet, der einen Lichtstrahl 17 auf
die Gewindestruktur richtet. Von der Gewindestruktur aus den Zähnen 12 und
den Nuten 13 wird der Lichtstrahl 17 zu einem
Empfänger 18 reflektiert.
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Der
Empfänger 18 erhält also
einen modulierten Lichtstrahl mit einer Frequenz, die von der Drehzahl
der Welle 2 abhängt.
Die Zahl der Zähne 12 ist
bekannt. Dementsprechend weiß man,
wieviele Impulse der Empfänger 18 pro
Umdrehung der Welle 2 erhält. Durch ein einfaches Auszählen der
Impulse läßt sich
der Drehwinkel der Welle 2 ermitteln. Wenn man diesen Drehwinkel
auf die Zeit bezieht, erhält man
eine Drehfrequenz, aus der auch auf die Drehzahl umgerechnet werden
kann.
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Es
ist dabei vorteilhaft, wenn der Geber 11 einen möglichst
konstanten Abstand zu dem Sender 16 und dem Empfänger 18 einhält. Um diese
Abstandskonstanz mit einfachen Mitteln zu erreichen, weist der Gewindering 6 einen
umlaufenden Vorsprung 19 auf, der in eine Innendurchmesservergrößerung 20 des
Gebers 11 eingreift. Der Vorsprung 19 zentriert
also den Geber 11 auf dem Gewindering 6. Dabei
durchragt der Vorsprung 19 den Geber 11 etwa auf
der Hälfte
seiner Dicke, d.h. der Geber 11 deckt den Gewindering 6 nahezu
vollständig
ab. Es ist allenfalls möglich,
daß im
Bereich seiner Zentralbohrung 21 ein schmaler Spalt zwischen
dem Geber 11 und dem Außengewinde 5 der Welle 2 verbleibt.
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Die
Schrauben 10 sind als Senkkopfschrauben ausgebildet. Der
Geber 11 weist Durchgangslöcher 22 auf, die an
ihrem stirnseitigen Ende mit einer Einsenkung 23 versehen
sind. Wie aus 2 und 3 hervorgeht,
erstreckt sich die Einsenkung 23 radial nach außen bis
zum Umfangsrand 14 und radial nach innen jedenfalls so
weit, daß ein
Teil des Schraubenkopfes 24 oberhalb des Vorsprungs 19 des
Gewinderings 6 zu liegen kommt.
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Zur
Montage wird also zunächst
der Gewindering 6 auf die Welle 5 geschraubt und
dort mit einem erheblichen Moment festgezogen. Danach wird der Geber 11 auf
den Gewindering 6 aufgesetzt und mit den Schrauben 10 festgeschraubt.
Dabei wird der Geber 11 auf dem Gewindering zentriert und durch
die Schrauben 10 axial verspannt.
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Man
kann nun auf einfache Weise den Motor an unterschiedliche Drehzahlmessungen
anpassen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Geber 11 vom Gewindering 6 abzuschrauben
und durch einen anderen Geber zu ersetzen. Ein anderer Geber kann beispielsweise
eine andere Zahnstruktur, eine andere Neigung, eine andere Zahnteilung
oder ähnliches aufweisen.
Dementsprechend ist es auch möglich, einen
Motor 1 mit Gewindering 6 vorzufertigen und erst
bei Bedarf den entsprechenden Geber 11 zu montieren. Eine
derartige Vorgehensweise ist wesentlich kostengünstiger, als den Geber 11 einstückig mit
dem Gewindering 6 auszubilden.
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Bei
der Gestaltung des Gebers 11 hat man relativ hohe Freiheiten.
Die Zahl der Zähne
ist nahezu beliebig. In Abhängigkeit
vom Durchmesser des Gebers sind Zähne im Bereich von 50 bis 150
günstig.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel
hat beispielsweise 75 Zähne.
Damit ergeben sich pro Umdrehung 150 Signalpunkte, die
der Sensor erfassen kann, nämlich
an jeder Zahnflanke einer.
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Die
Höhe des
Gebers 11 beträgt
vorzugsweise nur wenige Millimeter, beispielsweise zwischen 5 und
10 mm. Der Durchmesser des Gebers 11 und auch der Durchmesser
des Gewinderings 6 richten sich natürlich nach der verwendeten
Welle der Rotationsmaschine.
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Für die Befestigung
des Gebers 11 am Gewindering 6 genügen relativ
dünne Schrauben,
beispielsweise Schrauben M3 oder M4. In Abhängigkeit vom verwendeten Sensor
kann man auch die Form der Zähne
des Gebers 11 verändern.
Beispielsweise kann man die Zähne
im Querschnitt rechteckförmig machen,
so daß ausgeprägte Flanken
zur Verfügung stehen.
Man kann die Zähne
im Querschnitt auch dreieckförmig
machen, so daß man
die Unterscheidung zwischen Zähnen
eher an ihren Spitzen und an den tiefsten Punkten der Zahnzwischenräume definieren
kann.
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Anstelle
einer Zahnstruktur läßt sich
auch eine andere Struktur verwenden, die dann beispielsweise optisch
abgetastet werden kann.