DE102007030979A1

DE102007030979A1 - Ventilgesteuerter Hydromotor und Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Hydromotors

Info

Publication number: DE102007030979A1
Application number: DE200710030979
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Gaumnitz; Heino Försterling; Michael Dürr; Stefan Hoppe; David Dr. Breuer; Friedemann Nordt; Joachim Schmitt; Klaus Dr. Reymann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Offenbart sind ein ventilgesteuerter Hydromotor und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Hydromotors, bei dem zum Anfahren ein Zulaufventil in Öffnungsrichtung druckentlastet wird, so dass ein vergleichsweise kleiner Aktuator zum Öffnen ausreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen ventilgesteuerten Hydromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Hydromotors gemäß Patentanspruch 16.
Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schluckvolumen über die Ventilsteuerung stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind und um den jeweiligen Arbeitsraum im „full mode", im „partial mode" oder im „idle mode" zu betreiben. Beim „full mode" wird im Wesentlichen das gesamte Schluck- oder Fördervolumen ausgenützt, im „partial mode" entsprechend nur ein Teil des Volumens. Im „idle mode" ist das Förder-/Schluckvolumen des jeweiligen Arbeitsraumes gleich 0 – die Maschine arbeitet im Leerlauf.
Über eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittsteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
Bei der beschriebenen Lösung ist das im Zulauf zu jedem Arbeitsraum angeordnete Zulaufventil im unbestromten Zustand mittels Federkraft geschlossen. Das im Ablauf angeordnete Rückschlagventil ist im unbestromten Zustand durch die Federkraft in Öffnungsrichtung vorgespannt.
Falls die Hydromaschine als Motor betrieben werden soll, wird zum Antreiben einer mit der Taumelscheibe verbundenen Welle das Ablaufventil durch Bestromen eines Betätigungsmagneten geschlossen und gleichzeitig das Zulaufventil geöffnet. Dadurch kann Druckmittel in den Arbeitsraum einströmen, so dass die hydraulische Energie des Druckmittels durch die Axialverschiebung des jeweiligen Kolbens und die entsprechende Drehbewegung der Taumelscheibe in eine Drehbewegung der Welle und somit in mechanische Energie umgewandelt wird. Kurz vor dem inneren Totpunkt, in dem der jeweilige Kolben die volle Schluckbewegung ausgeführt hat, wird das Zulaufventil geschlossen, so dass durch den verbleibenden Resthub des Kolbens bis zum Totpunkt der Arbeitsraum druckentlastet wird. Durch diese Druckentlastung kann das Ablaufventil druckentlastet öffnen und der Kolben kann in seiner nachfolgenden Förderbewegung sein Schluckvolumen zum Tank ausschieben. Kurz vor dem äußeren Totpunkt wird dann das Ablaufventil durch Bestromen des entsprechenden Betätigungsmagneten geschlossen. Der verbleibende Hub des Kolbens bis äußeren Totpunkt wird dann zum Komprimieren des im Arbeitsraum eingeschlossenen Druckmittels benutzt, so dass das Zulaufventil bei Erreichen des äußeren Totpunkts druckentlastet öffnen kann. Durch diesen Ablauf ist gewährleistet, dass die Rückschlagventile im weitghend druckausgeglichenen Zustand durch relativ geringe Betätigungsmagnetkräfte geschaltet werden können. Diese Ansteuerung ist aufgrund der geforderten Schaltdynamik notwendig.
Beim Anfahren derartiger Hydromotoren entspricht der Druck im Arbeitsraum im Wesentlichen dem Tankdruck, während das Zulaufventil in Schließrichtung durch die Kraft der Feder und zusätzlich durch den Hochdruck im Zulauf beaufschlagt ist. Da die Kolben und entsprechend auch die Taumelscheibe stillstehen, kann der vorbeschriebene Druckausgleich durch die Kompression des Druckmittels im Arbeitsraum nicht erfolgen. Der Betätigungsmagnet des Zulaufventils muss daher so ausgelegt werden, dass er das Zulaufventil gegen den hohen Druck im Zulauf öffnen kann. Hierzu sind sehr große Betätigungsmagneten erforderlich, die hinsichtlich der Dynamik den Erfordernissen nicht genügen und zudem sehr teuer sind und einen erheblichen Bauraum benötigen, so dass die Hydromaschine nicht mit der erforderlichen Kompaktheit ausführbar ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen ventilgesteuerten Hydromotor und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Hydromotors zu schaffen, bei dem das Anlaufverhalten mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand verbessert ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des ventilgesteuerten Hydromotors mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 16 gelöst.
Erfindungsgemäß ist der Hydromotor mit einer Vielzahl von Kolben ausgeführt, die jeweils gemeinsam mit einem Zylinder einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein ansteuerbares Zulaufventil und über ein Ablaufventil mit einem Zulauf bzw. einem Ablauf verbindbar ist. Das Zulaufventil hat einen Ventilkörper, der in seiner Schließstellung einen zulaufseitigen Druckraum von einem arbeitsraumseitigen Druckraum trennt. Erfindungsgemäß ist der Hydromotor mit einer Einrichtung versehen, über die zum Anfahren die in Schließrichtung wirksame Druckdifferenz zwischen den beiden vorgenannten Druckräumen absenkbar ist, so dass ein vergleichsweise kleiner Betätigungsmagnet zum Schalten des Zulaufventils ausreicht.
Prinzipiell stehen für das erfindungsgemäße Konzept zwei Verfahrensweisen zur Verfügung: Entweder wird zum Anfahren der Druck im zulaufseitigen Druckraum abgesenkt oder entsprechend der Druck im arbeitsraumseitigen Druckraum angehoben, um die in Schließrichtung wirksame Druckdifferenz zu verringern.
Bei einer Variante ist der Hydromotor mit einem Anfahrventil ausgeführt, über das der zulaufseitige Druckraum mit Niederdruck beaufschlagbar ist, so dass geringe Betätigungskräfte erforderlich sind, um das Zulaufventil zum Anfahren zu öffnen.
Das Anfahrventil kann ein Schaltventil sein, das in seiner Grundposition eine Verbindung zum Niederdruck absperrt und in seiner Schaltstellung die Verbindung zwischen dem zulauf seitigen Druckraum und dem Niederdruck aufsteuert. Diese Schaltstellung wird im Prinzip nur zum Anfahren des Hydromotors angesteuert.
Bei einer derartigen Variante wird es besonders bevorzugt, wenn das Anfahrventil ein 3/2-Wegeventil ist, das in der Grundposition einen Zulaufanschluss mit einer Zulaufleitung und in seiner Schaltposition einen sich zwischen dem Zulaufanschluss und dem Anfahrventil erstreckenden Druckmittelströmungspfad mit Nieder druck verbindet. Bei einer derartigen Lösung muss somit nicht der gesamte Zulauf sondern lediglich ein geringer Teilabschnitt mit Niederdruck verbunden werden.
Bei einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel ist dem Hydromotor eine Hydropumpe zugeordnet, über die das Druckmittel zum Zulauf gefördert wird. Diese Pumpe kann dann als im Zweiquadrantenbetrieb betreibbare Verstellpumpe ausgeführt sein. Zum Anfahren wird diese Verstellpumpe dann so umgesteuert, dass der Druck im Zulauf verringert wird. Eine derartige Lösung lässt sich mit minimalem Aufwand realisieren.
Bei einer alternativen Lösung ist das Anfahrventil parallel zum Zulaufventil angeordnet, so dass der arbeitsraumseitige Druckraum mit dem Druck im Zulauf beaufschlagbar ist. Bei dieser Lösung wird somit der Druck im Arbeitsraum erhöht.
Dieses Anfahrventil ist vorzugsweise als Schaltventil ausgeführt, das in einer Anfahrleitung angeordnet ist, die in der Grundstellung des Schaltventils abgesperrt ist und in der Schaltstellung die beiden Druckräume miteinander verbindet.
Dieses Anfahrventil lässt sich mit wesentlich kleinerer Wirkfläche als das Zulaufventil ausführen.
Der vorrichtungstechnische Aufwand ist besonders gering, wenn das Anfahrventil und das Zulaufventil vom gleichen Aktuator betätigt sind.
Der Bauraum lässt sich weiter minimieren, wenn das Anfahrventil in das Zulaufventil integriert ist.
Dabei wird es bevorzugt, wenn an einem Schließkegel des Zulaufventils ein Sitz eines Schließkörpers des Anfahrventils ausgebildet ist, der gegen die Kraft einer Federanordnung mittels eines Aktuators vom Sitz abhebbar ist, um den zulaufseitigen Druckraum mit dem arbeitsseitigen Druckraum zu verbinden.
Bei einem derartigen Ventil kann es vorteilhaft sein, einen schließkegelseitigen Anschlag vorzusehen, auf den der Aktuator oder der vorgeöffnete Schließkörper beim Abheben aufläuft, um den druckentlasteten Schließkegel des Zulaufventils zu betätigen.
Ein Bestromen des Betätigungsmagneten während des Anfahrens des Hydromotors ist überflüssig, wenn dem Schließkörper des Zulaufventils eine entsperrbare Rasteinrichtung zugeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn das Zulaufventil, das Ablaufventil und das Anfahrventil jeweils als Sitzventil ausgeführt sind.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer ventilgesteuerten Hydromaschine mit veränderbarem Schluck-/Fördervolumen;
2 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines ventilgesteuerten Hydromotors mit Anfahrventil;
3 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 2;
4 ein Ausführungsbeispiel eines ventilgesteuerten Hydromotors, bei dem der Zulauf über ein Anfahrventil mit dem Arbeitsraum verbindbar ist;
5 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem das Zulaufventil und das Anfahrventil von einem gemeinsamen Aktuator betätigbar sind;
6 und 7 unterschiedliche Betriebszustände des Ausführungsbeispiels aus 5;
8 eine konkrete Ausführung einer Ventilanordnung gemäß 5, bei der das Anfahrventil in das Zulaufventil integriert ist und
9 und 10 verschiedene Betriebszustände des Ausführungsbeispiels gemäß 8.
Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der ventilgesteuerte Hydromotor 1 als Axialkolbenmaschine in Taumelscheibenbauweise ausgeführt. Das Funktionsprinzip eines derartigen Hydromotors wird anhand 1 erläutert, die eine stark vereinfachte Abwicklung eines Hydromotors in Axialkolbenbauweise zeigt. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert, hinsichtlich detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen, in dem das Funktionsprinzip einer derartigen Hydromaschine mit digital verstellbarem Förder-/Schluckvolumen ausführlich erläutert ist.
Gemäß der schematischen Darstellung in 1 hat der Hydromotor 1 einen Zylinder 2, in dem eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit der Zylinderbohrung 4 einen Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub der Kolben 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer schräg gestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß 1 ist die aufgrund der Rotation der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit des Volumens des jeweiligen Arbeitsraums wiedergibt. Wie in 1 rechts dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein Zulaufventil 16 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Zulaufleitung 18 verbunden, die mit einem System- oder Hochdruck beaufschlagt ist. Dieser Hochdruck kann beispielsweise über eine Pumpe 20 erzeugt werden.
Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.
Wie bereits eingangs erläutert, sind die Ablaufventile 22 und die Zulaufventile 16 jeweils als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Das Zulaufventil 16 ist über eine nicht dargestellte Feder in seiner dargestellten Grundposition in eine Schließposition vorgespannt und lässt sich durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 18 in eine Öffnungsstellung bringen, so dass das Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 in den jeweiligen Arbeitsraum 8 einströmen kann. Das Ablaufventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über eine Feder in eine Öffnungsstellung vorgespannt. Durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 30 lässt sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen, in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen kann. Der Einfachheit halber sind in der Darstellung gemäß 1 nur die Schaltsymbole der rechts angeordneten Ventile 28, 30 dargestellt, die anderen, den sonstigen Arbeitsräumen zugeordneten Ventile sind entsprechend aufgebaut.
Die Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die eingangs beschriebenen Modii (full mode, partial mode und idle mode) einstellbar sind, so dass das Schluckvolumen des Hydromotors 1 stufenlos verstellbar ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle 12, die über einen Drehzahlaufnehmer 36 erfasst und über eine Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell können selbstverständlich auch andere Kenndaten, wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende Drehmoment oder das Schluckvolumen des Hydromotors 1 bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt werden.
Zum Anfahren des Hydromotors 1 werden die sich auf dem Weg vom äußeren Totpunkt (oben in 1) zum inneren Totpunkt befindlichen Kolben mit Hochdruck beaufschlagt – diese Kolben sind beispielsweise in dem rechten, abfallenden Teil der Steuerkurve 14 angeordnet. Zur Hochdruckbeaufschlagung dieser Kolben 6 müssen die zugeordneten Zulaufventile 16 gegen den Druck in der Zulaufleitung 18 aufgesteuert werden. Wie eingangs erläutert, sind bei den herkömmlichen Hydromotoren 1 vergleichsweise große Betätigungsmagneten 28 erforderlich, um das Ventil zu öffnen, da in den jeweiligen Arbeitsräumen 8 ein dem Tankdruck entsprechender Druck anliegt.
Bei einer besonders einfach aufgebauten Variante der Erfindung wird die Pumpe 20 als Verstellpumpe mit sehr hoher Stelldynamik ausgeführt, so dass durch Zurückschwenken dieser Verstellpumpe der Druck in der Zulaufleitung 18 innerhalb weniger Millisekunden reduziert werden kann. Diese Druckabsenkung in der Zulaufleitung 18 kann dann zum Ansteuern der betreffenden Zulaufventile 16 ausgenützt werden, wobei nach Absinken des Drucks in der Zulaufleitung 18 durch das Zurückschwenken der Pumpe 20 die Betätigungsmagnete 28 der betreffenden Zulaufventile 16 bestromt werden, so dass auch kleine Magnete zum Öffnen dieser Zulaufventile 16 ausreichen. Diese Druckabsenkung in der Zulaufleitung 18 (Dekompressionsvorgang) muss in sehr kurzer Zeit erfolgen, um zum Beispiel ein Rückwärtsrollen eines am Hang stehenden Fahrzeugs zu verhindern, das durch den Hydromotor angetrieben wird. Für diesen Vorgang wäre es daher zweckmäßig, für die Pumpe 20 eine nach dem DDP-Prinzip arbeitende Pumpe einzusetzen, wie sie in der eingangs genannten Druckschrift EP 1 537 333 B1 beschrieben ist. Derartige DDP-Pumpen (digital displacement pump) haben prinzipbedingt eine sehr große Stelldynamik. Diese Pumpe sollte vorzugsweise auch im Zweiquadranten-Betrieb verwendbar sein, so dass der Druck in der Zulaufleitung 18 aktiv abgesenkt werden kann.
In dem Fall, in dem eine derartige Pumpe 20 mit großer Stelldynamik nicht zur Verfügung steht, kann das erfindungsgemäße Steuerkonzept auch mit anderen Maßnahmen realisiert werden. Diese werden anhand der 2 bis 10 erläutert.
In 2 ist ein Schaubild einer hydraulischen Schaltung gezeigt, bei der der Hydromotor 1 über eine nur im Einquadranten-Betrieb betreibbare Pumpe 20 mit Druckmittel versorgt wird. Der Druckanschluss der Pumpe 20 ist an die Förderleitung 18 angeschlossen, so dass das Druckmittel durch die Förderleitung 18 hindurch zum Zulaufanschluss des Hydromotors 1 gefördert wird. Der prinzipielle Aufbau des Hydromotors 1 entspricht demjenigen aus 1.
Gemäß dem Schaubild in 2 erfolgt die Verringerung der in Schließrichtung wirksamen Druckdifferenz am Zulaufventil 16 (siehe 1) dadurch, dass die Zulaufleitung 18 zum Öffnen des Zulaufventils 16 kurz mit dem Tank 26 verbunden wird. Dadurch sinkt der Druck in der Zulaufleitung 18 ab, so dass ein vergleichsweise kleiner Betätigungsmagnet 28 ausreicht, um das Zulaufventil 16 (1) zu öffnen.
Diese Verbindung des Zulaufs mit dem Tank 26 erfolgt über ein Anfahrventil 38, das in einer von der Zulaufleitung 18 abzweigenden, im Tank 26 mündenden Entlastungsleitung 40 angeordnet ist. Das Anfahrventil 38 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als mit hoher Dynamik schaltbares Schaltventil ausgeführt, dessen Schaltmagnet 42 über eine Signalleitung mit der Steuereinheit 34 verbunden ist. Das Anfahrventil ist mit zwei Schaltstellungen (a), (0) ausgeführt, wobei es über eine nicht dargestellte Feder in eine Öffnungsstellung (0) vorgespannt ist und durch Bestromen des Schaltmagneten 42 in seine dargestellte Schließstellung (a) gebracht wird, so dass die direkte Verbindung zwischen der Zulaufleitung 18 und dem Tank 26 abgesperrt wird. Zum Anfahren des Motors 1 wird das Fördervolumen der Pumpe 20 auf Null verstellt und das Anfahrventil 38 in seine Grundposition (0) umgeschaltet, in der die Zulaufleitung 18 über die Entlastungsleitung 40 mit dem Tank 26 verbunden ist. Dadurch kann das restliche Kompressionsvolumen in der Zulaufleitung 18 für den Anlaufvorgang des Motors zum Tank 26 hin abströmen, so dass der Druck im Zulauf in der Zulaufleitung 18 absinkt und das Zulaufventil 16 betätigt werden kann, da im Arbeitsraum 8 und im Zulauf 18 in etwa der gleiche Druck anliegt.
Selbstverständlich kann das Anfahrventil 38 auch in seine Schließposition vorgespannt sein und mittels des Betätigungsmagneten 42 in eine Öffnungsposition verstellt werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Elektromagnet 42 nur beim Anfahren bestromt werden muss.
Nachteilig bei der vorbeschriebenen Lösung ist, dass die gesamte Zulaufleitung 18 über die Entlastungsleitung 40 entleert wird, so dass beim schnellen Umschalten des Anfahrventils 38 in seine Sperrposition (a) eine gewisse Zeit vergeht, bis die Zulaufleitung 18 durch die auf den maximalen Fördervolumenstrom verstellte Pumpe 20 wieder gefüllt ist.
Bei der Variante gemäß 3 ist dieser Nachteil beseitigt. Bei dieser Variante ist das Anfahrventil 38 als 3/2-Wegeventil ausgeführt, das dann beispielsweise durch eine Feder in seine dargestellte Grundposition (0) vorgespannt ist. Das Anfahrventil 38 ist mit drei Anschlüssen geführt, wobei an einen Eingangsanschluss P die Zulaufleitung 18 und ein Ausgangsanschluss A an einen Zulaufkanal 18a angeschlossen ist, der sich zwischen dem Anfahrventil 38 und dem Zulaufanschluss des Hydromotors 1 erstreckt. Ein dritter Anschluss T des Anfahrventils 38 ist über die Entlastungsleitung 40 mit dem Tank 26 verbunden.
In der dargestellten Grundposition des Anfahrventils 38 ist der Anschluss T abgesperrt. Durch Umschalten des Anfahrventils 38 mittels des schnell schaltenden Schaltmagneten 42 wird die Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss A und dem Anschluss T aufgesteuert und der Anschluss P abgesperrt, so dass der kurze Leitungsabschnitt 18a zwischen dem Anfahrventil 38 und der Hydromaschine 1 über die Entlastungsleitung 40 zum Tank 26 hin entlastet wird, wobei es noch nicht einmal erforderlich ist, das Fördervolumen der Pumpe 20 auf 0 zu verringern, da der Eingangsanschluss P abgesperrt ist. Das Zulaufventil 16 kann dann in der vorbeschriebenen Weise aufgesteuert werden, so dass der Hydromotor anläuft. Mit dem Anlaufen wird dann das Anfahrventil 38 wieder in seine dargestellte Grundposition zurückverstellt.
Bei den vorbeschriebenen Varianten wird der zulaufseitige Druckraum des Zulaufventils 16 druckentlastet, um das Zulaufventil 16 öffnen zu können. Bei den im Folgenden beschriebenen Varianten wird dagegen der Druck im arbeitsraumseitigen Druckraum erhöht bis die Kraft des Betätigungsmagneten ausreicht, um das Zulaufventil 16 zu öffnen.
4 zeigt den Grundaufbau einer einzigen Pumpeinheit einer Axialkolbenmaschine gemäß 1. Gemäß den Ausführungen zu 1 begrenzt dabei der Kolben 6 gemeinsam mit der Zylinderbohrung 4 einen Arbeitsraum 8, der bei der gezeigten Lösung über das elektrisch betätigte Zulaufventil 16 mit dem Zulauf 18 und über ein elektrisch betätigtes Ablaufventil 22 mit der Ablaufleitung 24 verbindbar ist. Wie bereits erläutert, ist das Ablaufventil 22 durch die Kraft einer Feder 44 in eine Öffnungsstellung vorgespannt und lässt sich mittels des Betätigungsmagneten 30 in seine Schließstellung verstellen, in der ein Schließkegel oder -körper 48 auf einem Sitz 50 aufsitzt, um die Verbindung des Arbeitsraums 8 mit der Ablaufleitung 24 abzusperren.
Das Zulaufventil 16 ist über eine Feder 52 und den Druck im Zulauf in seine Schließposition vorgespannt, in der ein Schließkegel oder -körper 54 auf dem Ventilsitz 56 aufsitzt. Durch Bestromen des Betätigungsmagneten 28 kann der Schließkegel 54 vom Sitz 56 abgehoben werden, um die Druckmittelverbindung zwischen der Zulaufleitung 18 und dem Arbeitsraum 8 aufzusteuern.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweigt von der Zulaufleitung 18 eine Anfahrleitung 58 ab, die im Arbeitsraum 8 mündet. In dieser Anfahrleitung 58 ist das als 2/2-Wegeventil ausgeführte Anfahrventil 38 angeordnet, das bei diesem Ausführungsbeispiel über eine Feder in seine Schließstellung (0) vorgespannt ist und über den Betätigungsmagneten 28 in seine Durchgangsstellung (a) umgeschaltet werden kann. Zum Anfahren wird das sehr schnell schaltbare Anfahrventil 38 in seine Öffnungsstellung (a) geschaltet, so dass kurzzeitig die Zulaufleitung 18 über die Anfahrleitung 38 mit dem Arbeitsraum 8 verbunden ist, wobei das Zulaufventil 16 umgangen wird. Dadurch steigt der Druck im Arbeitsraum 8 an, so dass das Zulaufventil 16 durch Bestromung des Betätigungsmagneten 28 vom Sitz 56 abgehoben werden kann. Dieser Anlaufvorgang ist dadurch unterstützt, dass das Ablaufventil 22 zum Anfahren zugesteuert wird. Das Anfahrventil 38 ist vorzugsweise mit wesentlich kleinerer Wirkfläche als das Zulaufventil 16 ausgeführt, so dass zum Schalten eine geringe Kraft ausreicht.
Eine derartige Lösung lässt sich mit geringem Aufwand realisieren, da lediglich die Anfahrleitung 58 und das schnell schaltende Anfahrventil 38 vorgesehen werden müssen. Im Übrigen kann ein herkömmlicher Hydromotor nach DDP-Bauweise verwendet werden.
Die bei den vorbeschriebenen Lösungen erforderlichen schnell schaltenden Ventile sind mit ausgereifter Technik erhältlich, so dass keine Neuentwicklung erforderlich ist.
Die 5 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen – ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel – zum Anfahren des Hydromotors 1 der arbeitsraumseitige Druckraum bzw. der Arbeitsraum mit dem Hochdruck im Zulauf beaufschlagt wird.
Anhand der 5, 6 und 7 wird das Funktionsprinzip einer Variante erläutert, bei der das Zulaufventil 16 und das parallel geschaltete, wesentlich kleinere Anfahrventil 38 von einem gemeinsamen Aktuator, im vorliegenden Fall dem Betätigungsmagneten 28 betätigt werden.
Der Hydromotor 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Radialkolbenmotor ausgeführt, wobei eine Vielzahl von Kolben 6 auf einem Exzenter 60 der Abtriebswelle 12 abgestützt sind und gemeinsam mit dem Zylinder 2 jeweils einen Arbeitsraum 8 begrenzen. Wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist dieser Arbeitsraum 8 über ein nicht dargestelltes Ablaufventil mit einer Ablaufleitung 24 und über das Zulaufventil 16 mit der Zulaufleitung 18 verbunden. Das Zulaufventil 22 ist wie bereits erwähnt, als Rückschlagventil ausgeführt, dessen Schließkörper 54 gegen den Sitz 56 vorgespannt ist. Wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel zweigt von der Zulaufleitung 18 die Anfahrleitung 58 ab, in der das mit wesentlich kleineren Wirkflächen ausgeführte Anfahrventil 38 angeordnet ist. Auch dieses ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Rückschlagventil ausgeführt, dessen Ventilkörper 62 über eine Feder gegen einen Sitz 64 vorgespannt ist. Das Zulaufventil 16 und das Anfahrventil 38 müssen aktiv über den Betätigungsmagneten 28 gegen die Kraft der jeweiligen Schließfeder vom Sitz 56, 64 abgehoben werden, um einen Durchflussquerschnitt vom Zulauf zum Arbeitsraum 8 aufzusteuern. Die Betätigung erfolgt über den vergleichsweise kleinen Betätigungsmagneten 28, dessen Stößel 63 über eine Koppelmechanik 66 auf beide Ventile 16, 38 wirkt. Die Koppelmechanik 66 ist so ausgelegt, dass über den Betätigungsmagneten 28 zunächst das kleinere Anfahrventil 38 geöffnet wird und die Druckmittelverbindung von der Zulaufleitung 18 zu den stromabwärts der beiden Ventile 16, 38 gelegenen arbeitsraumseitigen Druckräumen aufgesteuert wird. Eine Kraftübertragung auf den Schließkörper 54 erfolgt im ersten Hubbereich des Stößels 63 nicht. Dieser Betriebszustand ist in 6 dargestellt.
Bei geöffnetem Anfahrventil 38 baut sich in den arbeitsraumseitigen Druckräumen ein etwa dem Druck in der Zulaufleitung 18 entsprechender Druck auf, der in den Darstellungen als „Zwischendruck" bezeichnet ist. Das Zulaufventil 16 ist dadurch in Schließrichtung entlastet, so dass während des weiteren Hubs des Betätigungsmagneten 28 der Schließkörper 54 von seinem Sitz 56 abgehoben werden kann – das Druckmittel strömt dann gemäß 7 aus der Zulaufleitung 18 über das geöffnete Zulaufventil 16 und mit vergleichsweise geringem Druckmittelvolumenstrom über das geöffnete Anfahrventil 38 in den Arbeitsraum 8 ein, so dass der Hydromotor 1 anfährt und die Abtriebswelle 12 in Rotationsbewegung versetzt wird. Die vorbeschriebene Lösung mit einem einzigen Betätigungsmagneten für die beiden Ventile 16, 38 lässt sich vergleichsweise kostengünstig realisieren.
Das Schließen der beiden Ventile 16, 38 erfolgt durch Stromlos-Schalten des Betätigungsmagneten 28, so dass der Ventilkörper durch die Kraft der Schließfeder auf den Ventilsitz 64 aufgesetzt wird, so dass die Anfahrleitung 58 gesperrt ist. Durch die Kraft der Schließfeder des Zulaufventils 16 und den Druck im Zulauf 18 wird auch der Schließkörper 54 in seine Schließstellung verschoben, so dass der Arbeitsraum 8 nicht mehr mit der Zulaufleitung 18 verbunden ist.
In den 8 bis 10 ist eine sehr kompakte Lösung für eine Ventilanordnung gemäß dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Konzept dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist das mit kleiner Wirkfläche ausgeführte Anfahrventil 38 in das Zulaufventil 16 integriert.
Wie bereits beschrieben, hat dieses Zulaufventil 16 einen Schließkörper 54, der gegen den Sitz 56 vorgespannt ist. Gemäß dem Funktionsprinzip in 5 ist die Rückseite des Schließkörpers 54 mit dem Druck in der Zulaufleitung 18 beaufschlagt. Dieser Druck liegt in einem rückseitigen Federraum 68 an und wirkt in Schließrichtung auf den Schließkörper 54. Der Schließkörper 54 ist mit einer axialen Durchgangsbohrung ausgeführt, die im Abstand zum Sitz 56 in Radialrichtung zu einem Raum 70 erweitert ist, so dass der Ventilsitz 64 des Anfahrventils 38 ausgebildet ist, auf den der Ventilkörper 62 durch die Kraft einer Schließfeder 72 vorgespannt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Betätigungsmagnet 28 in dem Federraum 68 angeordnet und an einer Gehäusewandung 74 abgestützt. Der Stößel 63 des Betätigungsmagneten 28 ist dabei mit dem Ventilkörper 62 verbunden oder liegt an diesem stirnseitig an. Die genannte Schließfeder 72 umgreift dabei den Stößel 63.
Der Raum 70 im Schließkörper 54 ist über eine oder mehrere Radialbohrungen 76 mit dem Federraum 68 verbunden, so dass im Raum 70 ebenfalls der Zulaufdruck anliegt. Die den Schließkörper 54 durchsetzende Axialbohrung mündet an der ablaufseitigen Stirnfläche 78 des Schließkörpers 54. An dieser Stirnfläche 78 greift eine Öffnungsfeder 80 an, die an einer mit dem Ventilkörper 62 verbundenen Federstange 82 abgestützt ist. Die Federrate dieser Öffnungsfeder 80 ist wesentlich geringer als diejenige der Schließfeder 72.
Zum Anfahren des Hydromotors 1 wird der Betätigungsmagnet 28 bestromt, so dass entsprechend der Ventilkörper 62 gegen die Kraft der Schließfeder 72 vom Sitz 64 abgehoben wird. Dadurch wird eine Druckmittelverbindung von der Zulaufleitung 18 über den Federraum 68, die Radialbohrung 76, den Raum 70 und den darunter liegenden Teil der Axialbohrung zum Arbeitsraum 8 hin geöffnet. Dieser Betriebszustand ist in 9 dargestellt. Über den vom Anfahrventil 38 aufgesteuerten Querschnitt kann dann Druckmittel aus dem Federraum 68 zum Arbeitsraum 8 hin einströmen, so dass der zuvor mit Tankdruck beaufschlagte Arbeitsraum 8 mit dem Zulaufdruck beaufschlagt wird und entsprechend der Schließkörper 54 in Schließrichtung druckentlastet wird. Während des Öffnungshubs des Stößels 63 läuft die federseitige Ringstirnfläche 84 (9) auf die benachbarte Stirnwandung des Raums 70 auf. Nach dem Druckaufbau im Arbeitsraum 8 reicht dann die Kraft des Betätigungsmagneten 28 aus, um den Schließkörper 54 – wie in 10 dargestellt – von seinem Sitz 56 abzuheben, so dass Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 über den Federraum und den vom Zulaufventil 16 aufgesteuerten Querschnitt in den Arbeitsraum 8 einströmen kann, so dass durch den Druckaufbau im Arbeitsraum die Abtriebswelle 12 angetrieben wird und der Motor anläuft.
Die Ansteuerung der in den 8 bis 10 dargestellten Ventilanordnung ist weiter vereinfacht, wenn eine entsperrbare Einrastvorrichtung vorgesehen wird, in der der Schließkörper 54 und/oder der Ventilkörper 62 in ihrer Öffnungsposition gehalten werden, so dass der Betätigungsmagnet 28 lediglich mit einem kurzen Impuls bestromt werden kann. Zum Schließen der Ventilanordnung wird die Rasteinrichtung dann nur noch entsperrt, so dass der Schließkörper 54 sehr schnell durch die Kraft der Schließfeder 72 in seine Schließposition zurück bewegt wird.
Besonders vorteilhaft bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist, dass beide Ventilkörper 54, 62 vom gleichen Aktuator, im vorliegenden Fall dem Betätigungsmagneten 28 in gleicher Richtung betätigbar sind.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sollten die Ventile 16 und 38 als Sitzventile ausgeführt sein, um die Dichtheit des Arbeitsraumes zu gewährleisten, die für den eingangs beschriebenen „partial mode" unabdingbar ist.
Durch den beim Ausführungsbeispiel gemäß den 8 bis 10 realisierten Doppelanschlag kann das Aufsteuern des Zulaufventils mit geringer Kraft und hoher Dynamik erfolgen, wobei die Kraft des Betätigungsmagneten 28 zunächst zur Betätigung des flächenreduzierten Anfahrventils 38 genutzt wird. Nach dem Öffnen des flächenreduzierten Anfahrventils 38 wird dann über den mechanischen Anschlag (Anlage der Fläche 84 an die Stirnwandung des Raums 70) die Kraft des Betätigungsmagneten 28 genutzt, um den Schließkörper 54 abzuheben.
Zur Steuerung des Anfahrvorgangs ist keine zusätzliche „Anfahrsoftware" oder Sensorik erforderlich, wobei der Motoranlauf praktisch bei jeder Betriebsbedingung gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass kein zusätzlicher Aktuator erforderlich ist, da bei DDP-Lösungen das Zulaufventil 16 stets über einen Aktuator betätigt wird und dieser zum Öffnen des Anfahrventils 38 verwendbar ist.
Das Anfahren kann relativ weich erfolgen, da der Druckaufbau im Arbeitsraum 8 durch das aufeinanderfolgende Öffnen des Anfahrventils 38 und des Zulaufventils 54 kontinuierlich und nicht schlagartig erfolgt. Dieses Füllen des Arbeitsraums 8 zum Anfahren kann noch durch geeignete Auslegung der Durchströmungsquerschnitte optimiert werden.
Die Feder 80 kann so ausgelegt sein, dass das Anfahrventil 38 im Normalbetrieb öffnet. Das zusätzliche Öffnen des Anfahrventils 38 im Normalbetrieb stellt keinerlei Nachteil, sondern allenfalls einen Vorteil da, da ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt zum Füllen des Arbeitsraums zur Verfügung gestellt wird. Die Feder 80 kann auch so ausgelegt sein, dass das Anfahrventil 38 im Normalbetrieb geschlossen bleibt.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sind Betätigungsmagnete als Aktuatoren verwendet, selbstverständlich können auch andere geeignete Aktuatoren, beispielsweise Piezomotoren oder ähnliches eingesetzt werden. Die erfindungs gemäße Lösung kann allgemein bei Hydromaschinen mit Ventilssteuerung angewendet werden,
Offenbart sind eine ventilgesteuerte Hydromaschine und ein Verfahren zum Ansteuern einer derartigen Hydromaschine, bei dem zum Anfahren ein hochdruckbeaufschlagtes Ventil in Öffnungsrichtung druckentlastet wird, so dass ein vergleichsweise kleiner Aktuator zum Öffnen ausreicht.

1: Hydromotor
2: Zylinder
4: Zylinderbohrung
6: Kolben
8: Arbeitsraum
10: Kolbenschuh
12: Abtriebswelle
14: Steuerkurve
16: Zulaufventil
18: Zulaufleitung
20: Pumpe
22: Ablaufventil
24: Ablaufleitung
26: Tank
28: Betätigungsmagnet
30: Betätigungsmagnet
32: Rückschlagventil
34: Steuereinheit
36: Drehzahlsensor
38: Anfahrventil
40: Entlastungsleitung
42: Schaltmagnet
44: Feder
46: Ventilsitz
48: Schließkegel
50: Sitz
52: Feder
54: Schließkörper
56: Sitz
58: Anfahrleitung
60: Exzenter
62: Ventilkörper
63: Stößel
64: Ventilsitz
66: Koppelmechanik
68: Federraum
70: Raum
72: Schließfeder
74: Gehäusewandung
76: Radialbohrung
78: Stirnfläche
80: Öffnungsfeder
82: Federstange
82: Ringstirnfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1537333 B1 [0002, 0041]

Claims

Ventilgesteuerter Hydromotor mit einer Vielzahl von Kolben (6), die jeweils gemeinsam mit einem Zylinder (2) einen Arbeitsraum (8) begrenzen, der über ein ansteuerbares Zulaufventil (16) und ein Ablaufventil (22) mit einem Zulauf (18) bzw. einem Ablauf (24) verbindbar ist, wobei das Zulaufventil (16) einen Schließkörper (54) hat, der in seiner Schließstellung einen zulaufseitigen Druckraum von einem arbeitsraumseitigen Druckraum trennt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20, 38), über die zum Anfahren des Hydromotors (1) die in Schließrichtung wirksame Druckdifferenz zwischen den Druckräumen absenkbar ist.
Hydromotor nach Patentanspruch 1, mit einer Druckmittel zum Zulauf (18) fördernden Hydropumpe (20).
Hydromotor nach Patentanspruch 1 oder 2, mit einem Anfahrventil (38), über das der zulaufseitige Druckraum mit Niederdruck beaufschlagbar ist.
Hydromotor nach Patentanspruch 3, wobei das Anfahrventil (38) ein Schaltventil ist, das in seiner Grundstellung (0) eine Verbindung zum Niederdruck absperrt und in seiner Schaltstellung (a) die Verbindung zwischen dem Zulauf (18) und dem Niederdruck aufsteuert.
Hydromotor nach Patentanspruch 4, wobei das Anfahrventil (38) ein 3/2-Wegeventil ist, das in einer Stellung eine Zulaufleitung (18) mit dem Arbeitsraum (8) verbindet und in einer weiteren Schaltstellung einen sich zwischen dem Arbeitsraum (8) und dem Anfahrventil (38) erstreckenden Druckmittelströmungspfad (18a) mit Niederdruck verbindet.
Hydromotor nach Patentanspruch 2, wobei die Pumpe eine im Zweiquadrantenbetrieb betreibbare Verstellpumpe (20) ist.
Hydromotor nach Patentanspruch 1 oder 2, mit einem parallel zum Zulaufventil (16) angeordneten Anfahrventil (38), über das der arbeitsraumseitige Druckraum mit dem Druck im Zulauf beaufschlagbar ist.
Hydromotor nach Patentanspruch 7, mit einer Anfahrleitung (58) zwischen Zulauf (18) und arbeitsraumseitigem Druckraum, in der ein Anfahrventil (38) ange ordnet ist, das in einer Schaltstellung (0) die Anfahrleitung (58) absperrt und in einer anderen Schaltstellung (a) die Anfahrleitung öffnet.
Hydromotor nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei das Anfahrventil (38) kleinere Wirkflächen als das Zulaufventil (16) hat.
Hydromotor nach Patentanspruch 9, wobei Anfahrventil (38) und Zulaufventil (16) vom gleichen Aktuator (28) betätigt sind.
Hydromotor nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, wobei das Anfahrventil (38) in das Zulaufventil (16) integriert ist.
Hydromotor nach Patentanspruch 11, wobei an einem Schließkörper (54) des Zulaufventils (16) ein Ventilsitz (64) eines Ventilkörpers (62) des Anfahrventils (38) ausgebildet ist, der gegen die Kraft einer Federanordnung (72, 80) mittels eines Aktuators (28) vom Ventilsitz (64) abhebbar ist, um den Zulauf (18) mit dem arbeitsraumseitigen Druckraum zu verbinden.
Hydromotor nach Patentanspruch 12, mit einem schließkörperseitigen Anschlag, auf den der Aktuator mittelbar oder unmittelbar nach dem Abheben des Ventilkörpers (62) vom Ventilsitz (64) aufläuft.
Hydromotor nach Patentanspruch 12 oder 13, mit einer entsperrbaren Rasteinrichtung zum Halten des Schließkörpers (54) und/oder des Ventilkörpers (62) in einer Öffnungsstellung.
Hydromotor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Ventile (16, 38) Sitzventile sind.
Verfahren zum Ansteuern eines ventilgesteuerten Hydromotors mit einer Vielzahl von Kolben (6), die jeweils gemeinsam mit einem Zylinder (2) einen Arbeitsraum (8) begrenzen, der über ein ansteuerbares Zulaufventil (16) und ein Ablaufventil (22) mit einem Zulauf bzw. einem Ablauf verbindbar ist, wobei das Zulaufventil (16) einen Schließkörper (54) hat, der in seiner Schließstellung einen zulaufseitigen Druckraum von einem arbeitsraumseitigen Druckraum trennt mit den Schritten: – Absenken einer in Schließrichtung wirksamen Druckdifferenz zwischen den Druckräumen und – Öffnen des Zulaufventils (16) und – Anfahren des Hydromotors durch den sich im Arbeitsraum (8) aufbauenden Druck.