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Die
Erfindung geht aus von einer Steuereinrichtung für eine hydraulische Kolbenmaschine,
die als Hydropumpe oder als Hydromotor ausgebildet sein kann und
deren zeitgemittelter Volumenstrom veränderbar ist und die eine Vielzahl
von Kolben aufweist, die jeweils einen Arbeitsraum begrenzen, dessen
Volumen sich mit dem Hub eines Kolbens verändert und der über ein
erstes Ventil mit einem ersten Anschluss und über ein zweites Ventil mit
einem zweiten Anschluss verbindbar ist. Wenigstens eines der beiden
Ventile eines Arbeitsraums ist aktiv elektrisch betätigbar.
Die Steuereinrichtung umfasst ein Steuergerät, insbesondere ein elektronischen
Steuergerät,
mit dem die aktiv betätigbaren
Ventile der Arbeitsräume
in einem Leerhubmodus, in dem der Kolbenhub nicht genutzt wird,
in einem Partialhubmodus, in dem nur ein Teil des Kolbenhubs genutzt
wird, und in einem Vollhubmodus, in dem der volle Kolbenhub genutzt
wird, betreibbar sind.
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Eine
derartige Steuereinrichtung ist aus der
EP 1 537 333 B1 bekannt.
Bei Volumenstrom null werden selbstverständlich alle Kolben im Leerhubmodus
und bei maximalem Volumenstrom alle Kolben im Vollhubmodus betrieben.
In der Schrift ist weiter ausgeführt,
dass sich ausgehend von einem Volumenstrom null bei einem geringen
Volumenstrom die Betriebssequenz aus Partialhubmodus und Leerhubmodus
zusammensetzt und mit zunehmender Volumenstromanforderung der Anteil
des Partialhubmodus gegenüber
dem Leerhubmodus steigt. Bei weiter ansteigendem Volumenstrom fügt die Steuereinrichtung
ab und zu Vollhübe
zwischen Leer- und Partialhübe
ein. Ausgehend von maximalem Volumenstrom, bei dem natürlich alle
Kolben im Vollhubmodus betrieben werden, werden bei abnehmender
Volumenstromanforderung Leerhübe
dazwischen geschoben. Unterhalb einer festen oder variablen Schwelle
beginnt das Steuergerät,
Leerhubmodus, Partialhubmodus und Vollhubmodus zu mischen.
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Es
stellt sich die Aufgabe, eine Steuerung für eine hydraulische Kolbenmaschine,
deren zeitgemittelter Volumenstrom veränderbar ist und die die sonstigen
Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist, zu
finden, die den Volumenstrom der Kolbenmaschine sehr pulsationsarm,
also sehr gleichmäßig sein
lässt.
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Das
gesetzte Ziel wird dadurch erreicht, dass in einem ersten Volumenstrombereich
alle Kolben im Partialhubmodus und in einem daran anschließenden,
zweiten Volumenstrombereich eine verringerte Anzahl von Kolben im
Partialhubmodus und die anderen Kolben im Leerhubmodus betrieben
werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann
man den Unteransprüchen
entnehmen.
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Besonders
bevorzugt wird eine Ausbildung, nach der der Grenzvolumenstrom zwischen
den beiden Volumenstrombereichen ein ganzzahliges Vielfaches des
Vollhubvolumenstroms der verringerten Anzahl von Kolben ist. Das
bedeutet, dass im zweiten Volumenstrombereich bei zunehmender Volumenstromanforderung
die Art der Ansteuerung der Ventile beibehalten wird, bis die fördernden
oder schluckenden Kolben alle im Vollhub arbeiten. Dann kann mit
diesen Kolben allein der Volumenstrom nicht mehr vergrößert werden.
Der Betriebsmodus wird geändert.
Alle Kolben werden im Partialhubmodus betrieben.
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Es
ist als günstig
gefunden worden, dass in einem dritten Volumenstrombereich, der
sich an den zweiten Volumenstrombereich anschließt, wieder alle Kolben im Partialhubmodus
betrieben werden. Um die Pulsation möglichst gering zu halten, sollte
gemäß Patentanspruch
4 der Grenzvolumenstrom zwischen dem zweiten und dem dritten Volumenstrombereich
der Volumenstrom sein, bei der die Volumenstrompulsation bei Betrieb
aller Kolben im Partialhubmodus kleiner als die Volumenstrompulsation
bei Betrieb der verringerten Anzahl von Kolben im Partialhubmodus
wird.
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Vorzugsweise
werden in einem sich an den Volumenstrom null anschließenden Volumenstrombereich
alle Kolben im Partialhubmodus betrieben werden, da die Volumenstrompulsation
am geringsten sein dürfte,
wenn jeder Kolben einen Beitrag zum Gesamtvolumenstrom leistet.
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Über den
gesamten Volumenstrombereich von null bis maximal betrachtet, erscheint
es günstig, wenn
es wenigstens drei Volumenstrombereiche gibt, in denen alle Kolben
im Partialhubmodus betrieben werden, und wenn es zwischen zweien
dieser drei Volumenstrombereiche einen Volumenstrombereich gibt,
in dem eine verringerte Anzahl von Kolben im Partialhubmodus und
die anderen Kolben im Leerhubmodus betrieben werden, und zwischen
zwei anderen dieser drei Volumenstrombereiche einen Volumenstrombereich
gibt, in dem eine andere verringerte Anzahl von Kolben im Partialhubmodus
und die anderen Kolben im Leerhubmodus betrieben werden.
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Bevorzugt
werden gemäß Patentanspruch
7 die im Partialhubmodus betriebenen Kolben jeweils alle gleich
betrieben. Das bedeutet, dass bei konstantem Volumenstrom pro Maschinenzyklus
alle aktiven Kolben dieselbe Teilmenge zum gesamten Volumenstrom
beitragen und nicht ein aktiver Kolben mehr fördert oder schluckt als ein
anderer aktiver Kolben. Bei sich änderndem Volumenstrom kann
dies natürlich
anders sein. Die Teilmengen können
sich von einem aktiven Kolben zum nächsten aktiven Kolben ändern.
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Ist
die Gesamtzahl der Kolben der Kolbenmaschine ein Vielfaches von
drei und mindestens neun und so ist vorzugsweise die eine verringerte
Anzahl von Kolben drei und die andere verringerte Anzahl von Kolben
sechs.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steuerung
ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen wird
die Erfindung nun näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
abgewickeltes Kolbengehäuse
einer ventilgesteuerten Axialkolbenmaschine mit neun Kolben und
das zugehörige
Steuergerät
und
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2 ein
Diagramm, in dem der Phasenwinkel von drei Kolbengruppen und die
Volumenstrompulsation bei Benutzung dieser drei Kolbengruppen gegen
den Volumenstrom aufgetragen ist.
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Nach 1 besitzt
eine Axialkolbenmaschine ein feststehendes Gehäuseteil 10, das gleichmäßig um eine
Mittelachse herum verteilt neun Sackbohrungen 11 aufweist.
In jede Sackbohrung 11 taucht ein Kolben 12.n (n
= 1 bis 9) ein, der in der Sackbohrung einen Arbeitsraum 13.n (n
= 1 bis 9) begrenzt, dessen Volumen sich ändert, wenn sich der eintauchende
Kolben in Achsrichtung der Sackbohrung bewegt. Jeder Kolben 12.n stützt sich über einen
Kolbenschuh 14 an einer Schrägfläche 15 einer nicht
näher dargestellten
Taumelscheibe ab, die fest mit einer ebenfalls nicht dargestellten
Welle verbunden ist. Damit die Kolbenschuhe an der Schrägfläche 15 sicher
verbleiben, kann für
jeden Kolben eine Feder vorgesehen sein, die den Kolbenschuh mit
einer gewissen Kraft gegen die Taumelscheibe drückt.
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Zwischen
jedem Arbeitsraum 13.n und einer an die Axialkolbenmaschine
angeschlossenen, allen Arbeitsräumen
gemeinsamen Druckleitung 16 ist ein zum Arbeitsraum hin
sperrendes Rückschlagventil 17.n (n
= 1 bis 9) angeordnet, das das Druckventil eines Arbeitsraums darstellt.
Alle Druckventile werden allein von der Druckdifferenz zwischen
dem jeweiligen Arbeitsraum und der Druckleitung und einer eventuell
vorhandenen, in Schließrichtung
wirkenden, schwachen Feder, also rein passiv gesteuert. Da somit
nur ein Druckmittelfluss von einem Arbeitsraum in die Druckleitung
möglich
ist, ist die gezeigte Maschine eine Hydropumpe.
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Zwischen
jedem Arbeitsraum 13.n und einer an die Axialkolbenmaschine
angeschlossenen, allen Arbeitsräumen
gemeinsamen Tankleitung 18 ist ein zum Arbeitsraum hin öffnendes
Rückschlagventil 19.n (n
= 1 bis 9) angeordnet, das das Saugventil eines Arbeitsraums darstellt.
Zu jedem Saugventil gehört
ein Elektromagnet 20.n (n = 1 bis 9), mit dem das Saugventil
direkt oder elektrohydraulisch vorgesteuert offen gehalten werden
kann. Die Saugventile sind also aktiv gesteuerte Ventile.
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Ihrer
Steuerung dient ein elektronisches Steuergerät 25, das über eine
Eingangsleitung 26 einen Sollwert für die Größe des Volumenstroms in der Druckleitung 16 erhält. An diese
ist ein elektrischer Sensor 27 angeschlossen, der die Größe des Volumenstroms
in der Druckleitung erfasst und über
eine Leitung 28 ein entsprechendes Signal an das Steuergerät 25 abgibt.
Dem Steuergerät
wird außerdem über eine
Leitung 29 noch ein Signal zugeführt, das dem Drehwinkel der
Taumelscheibe bzw. der Antriebswelle der Hydropumpe entspricht.
Aus diesem Signal wird durch Differentiation auch die Drehzahl der
Hydropumpe ermittelt. Vom Steuergerät führt zu jedem Elektromagnet 20.n eine
Steuerleitung 30.n (n = 1 bis 9).
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Werden
bei der Hydropumpe nach 1 die Saugventile 19.n nicht
aktiv gesteuert, so hängt
die Fördermenge
allein von der Drehzahl ab. Wenn sich ein Kolben 12.n aus
einer Sackbohrung im Saughub herausbewegt, vergrößert sich der entsprechende Arbeitsraum 13.n.
Das Saugventil 19.n öffnet
sich und es strömt
Druckflüssigkeit
aus der Tankleitung 18 in den Arbeitsraum hinein. Im unteren
Totpunkt kehrt sich die Bewegungsrichtung des Kolbens um und der Arbeitsraum
verkleinert sich im folgenden Förderhub. Der
Druck im Arbeitsraum steigt an, bis sich das Druckventil 17.n öffnet. Dann
wird bis zum oberen Totpunkt des Kolbens Druckflüssigkeit über das Druckventil in die
Druckleitung 16 verdrängt.
Das Fördervolumen
der Hydropumpe, das ist die Fördermenge
pro Umdrehung, ist maximal.
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Um
das Fördervolumen
der Hydropumpe zu verringern, werden nun die Saugventile 19.n von
Arbeitsräumen 13.n über den
gesamten oder einen Teil des Förderhubs
der Kolben 12.n offen gehalten. Wie dies beim Ausführungsbeispiel
in Abhängigkeit
vom Fördervolumen
bzw. in Abhängigkeit
vom Volumenstrom bei einer bestimmten Drehzahl gemacht wird, geht
aus dem Diagramm nach 2 hervor.
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In
diesem Diagramm ist zunächst
dargestellt, über
welchen Phasenwinkel des gesamten Förderhubs, der sich über eine
halbe Umdrehung der Taumelscheibe, also über 180 Grad erstreckt, die
Saugventile von allen neun Kolben, von sechs Kolben und von drei
Kolben offen gehalten werden müssten, wenn
man ausgehend von dem mit der entsprechenden Anzahl von Kolben maximalen
Volumenstrom den Volumenstrom verringern will oder wenn man ausgehend
vom Volumenstrom null den Volumenstrom mit der genannten Anzahl
von Kolben auf den mit dieser Anzahl möglichen maximalen Volumenstrom
erhöhen
will. Dabei werden die Saugventile der drei, sechs oder neun Kolben
ausgehend vom unteren Totpunkt eines Kolbens jeweils den gleichen
Phasenwinkel offen gehalten. Die strichpunktiert gezeichnete Kurve 40 zeigt
den Phasenwinkel für
eine Förderung
mit allen neun Kolben. Soll die maximale Menge gefördert werden,
die beim Ausführungsbeispiel
bei einer üblichen
Drehzahl bei 105 l/min liegen möge,
so ist für
alle neun Kolben der Phasenwinkel null, die Saugventile werden also
während
des Förderhubs überhaupt
nicht offen gehalten. Mit abnehmender Fördermenge nimmt der Winkel, über den die
Saugventile 19 ausgehend vom unteren Totpunkt offen gehalten
werden, immer mehr zu und ist schließlich bei Fördermenge null, bei der die
Saugventile über
den gesamten Förderhub
offen gehalten werden, 180 Grad.
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Die
strichpunktiert gezeichnete Linie 42 zeigt für eine Förderung
nur mit sechs Kolben deren Phasenwinkel. Die maximale Fördermenge
beträgt
jetzt nur zwei Drittel der maximalen Fördermenge mit neun Kolben.
Die Linie 42 stößt deshalb
bei 70 l/min auf die Abszisse. Bei 70 l/min ist der Phasenwinkel für die sechs
fördernden
Kolben null, bei Fördermenge
null natürlich
wieder 180 Grad. Die sechs fördernden
Kolben sind dabei zum Beispiel die Kolben 12.1, 12.2, 12.4, 12.5, 12.7 und 12.8,
man hat also eine dreizählige
Symmetrie in der Förderung,
nach jeweils 120 Grad wiederholt sich das Fördermuster.
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Die
strichpunktiert gezeichnete Linie 44 zeigt für eine Förderung
nur mit drei Kolben deren Phasenwinkel. Die maximale Fördermenge
beträgt
jetzt nur ein Drittel der maximalen Fördermenge mit neun Kolben.
Die Linie 44 stößt deshalb
bei 35 l/min auf die Abszisse. Bei 35 l/min ist der Phasenwinkel
für die drei
fördernden
Kolben null, bei Fördermenge
null natürlich
wieder 180 Grad. Die drei fördernden
Kolben sind dabei zum Beispiel die Kolben 12.1, 12.4,
und 12.7, man hat also wieder eine dreizählige Symmetrie
in der Förderung,
nach jeweils 120 Grad wiederholt sich das Fördermuster.
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Die
gestrichelte Linie 50 zeigt die Volumenstrompulsation über den
gesamten Volumenstrombereich, wenn mit allen neun Kolben und entsprechendem
Phasenanschnitt gefördert
wird. Die Linie endet bei 105 l/min knapp oberhalb der Abszisse,
weil bei neun aktiven Kolben im Vollhub schon eine gewisse Volumenstrompulsation
vorhanden ist. Die gestrichelte Linie 52 zeigt die Volumenstrompulsation über den
gesamten möglichen
Volumenstrombereich von null bis 70 l/min, wenn mit sechs Kolben
und entsprechendem Phasenanschnitt gefördert wird. Die Linie endet
bei 70 l/min weiter oberhalb der Abszisse als die Linie 50,
da bei sechs aktiven Kolben im Vollhub die Volumenstrompulsation
stärker
ist als bei neun im Vollhub fördernden
Kolben. Die gestrichelte Linie 54 schließlich zeigt
die Volumenstrompulsation über
den gesamten möglichen
Volumenstrombereich, wenn mit drei Kolben und entsprechendem Phasenanschnitt
gefördert
wird. Die Linie endet bei 35 l/min noch weiter oberhalb der Abszisse.
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Man
sieht, dass die Kurve 52 beginnend von ihrem Endpunkt bei
70 l/min zunächst
unterhalb der Kurve 50 liegt, jedoch steiler verläuft und
schließlich die
Kurve 50 schneidet. Der Schnittpunkt liegt bei etwa 58
l/min. Bei kleineren Volumenströmen
bleibt die Kurve 52 oberhalb der Kurve 50.
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Man
sieht außerdem,
dass die Kurve 54 beginnend von ihrem Endpunkt bei 35 l/min
mit der Abszisse zunächst
unterhalb der Kurve 50 liegt, jedoch steiler verläuft und
schließlich
die Kurve 50 schneidet. Der Schnittpunkt liegt bei etwa
27 l/min. Bei kleineren Volumenströmen bleibt die Kurve 54 oberhalb der
Kurve 50.
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Anhand
der Kurve 60 sei nun erklärt, wie über den gesamten Volumenstrombereich
die Saugventile der Kolben angesteuert werden, um die Volumenstrompulsation
möglichst
gering zu halten. Bei maximalem Volumenstrom werden die Saugventile nicht
angesteuert. Alle neun Kolben verdrängen während des gesamten Förderhubs
Druckfluid in die Druckleitung. Mit abnehmendem geforderten Volumenstrom
werden die Saugventile aller neun Kolben jeweils vom unteren Totpunkt
eines Kolbens ab über einen
bestimmten Phasenwinkel offen gehalten, der für alle Kolben gleich ist. Nur
wenn sich der Volumenstrom ändert,
kann sich auch der Phasenwinkel von einem Kolben zum nachfolgenden
Kolben ändern. Wenn
der geforderte Volumenstrom 70 l/min erreicht, ist die
Förderung
durch nur sechs Kolben pulsationsärmer als eine Förderung
mit allen neun Kolben. Für jeden
dritten Kolben wird deshalb nun das Saugventil 19 während des
gesamten Förderhubs
offen gehalten, so dass diese Kolben nichts mehr zum Volumenstrom
beitragen. Bis zum Schnittpunkt der Kurven 50 und 52 wird
jetzt nur mit sechs Kolben gefördert,
wobei mit abnehmendem Volumenstrom deren Saugventile ausgehend vom
unteren Totpunkt über
einen immer größer werdenden
Phasenwinkel offen gehalten werden. Ab dem Schnittpunkt werden wieder
alle neun Kolben mit entsprechendem Phasenanschnitt für die Förderung
eingesetzt, da dann die Volumenstrompulsation geringer ist als bei
der Förderung
mit sechs Kolben und weniger starken Phasenanschnitt. Sinkt der
geforderte Volumenstrom schließlich
auf den mit drei voll fördernden
Kolben maximal förderbaren
Volumenstrom, vorliegend also auf 35 l/min ab, so wird nur noch
mit jedem dritten Kolben gefördert. Die
Saugventile der anderen sechs Kolben werden während des gesamten Förderhubs
dieser Kolben offen gehalten. Mit drei Kolben wird bis zu dem Volumenstrom
gefördert,
bei dem sich die Kurven 50 und 54 schneiden. Bei
kleinerem Volumenstrom werden wieder alle neun Kolben mit entsprechendem
Phasenanschnitt zu Förderung
verwandt.