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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Diese
Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit mit einer Ventilplatte.
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Hydraulikeinheiten,
wie zum Beispiel Axialkolben-Hydraulikeinheiten oder Schrägachsen-Hydraulikeinheiten,
einschließlich Pumpen und Motoren, sind im Stand der Technik
bekannt. In jeder dieser Arten von Hydraulikeinheiten sind Ventilplatten enthalten,
die in bogenförmiger Anordnung Öffnungen aufweisen,
die Einlass- und Auslassmündungen darstellen. Genauer gesagt
befindet sich zwischen jeder dieser Öffnungen, wie in 1 gezeigt,
ein Stegabschnitt, um die Festigkeit der Ventilplatte zu erhöhen,
um Druckschwankungen zu widerstehen, wie man sie in der heutigen
Hydraulik-Technologie kennt.
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Als
die ersten Hydraulikeinheiten konstruiert wurden, wie im
US-Patent Nr. 2,915,985 gezeigt,
enthielten die Ventilplatten nicht-unterbrochene Einlass- und Auslassdurchgänge,
die eine nierenförmige Gestalt hatten und keine Stege enthielten.
Als die Leistung der Hydraulikeinheiten mit zunehmenden Arbeitsdrücken
stieg, wurden Ventilplatten dieser Bauart im Bereich des druckbeaufschlagten
Auslassdurchgangs schadensanfällig. Um derartige Schäden zu
vermeiden, wurden die festigkeitsverstärkenden Stege, wie
in
1 gezeigt, hinzugefügt. Eine Illustration
dessen ist auch im
US-Patent
Nr. 3,249,061 zu sehen.
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Obgleich
die Stege dabei helfen, einen Ausfall des druckbeaufschlagten Auslassdurchgangs
der Ventilplatte zu verhindern, behindern die Stege die Strömung,
wodurch der Wirkungsgrad innerhalb der Hydraulikeinheit sinkt. Es
sind Versuche unternommen worden, diese Wirkungsgradverluste zu
vermeiden, zum Beispiel Anordnen von Öffnungen innerhalb
der Stege selbst und Verwenden hochfester Spezialmaterialien, um
die Ventilplatten selbst zu verstärken, um zu versuchen,
die Auswirkungen der Stege auf den Fluidstrom zu minimieren.
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Trotz
dieser Verbesserungen gibt es auf diesem technischen Gebiet immer
noch Probleme. Genauer gesagt wird bei Hydraulikeinheiten, die versuchen,
die mit den Stegen verbundenen Probleme dadurch zu lösen,
dass lediglich zusätzliche Öffnungen in die Stege
eingearbeitet werden, die Ventilplatte geschwächt, wodurch
die Ventilplatte schadensanfällig wird. Diese Ventilplatten
beseitigen den Steg auch nicht vollständig, so dass der
Fluidfluss behindert wird, wodurch Wirkungsgradverluste innerhalb
der Hydraulikeinheit auftreten. Bezüglich Ventilplatten, die
aus Spezialmaterialien bestehen, wird der Herstellungsprozess um
zusätzliche Schritte erweitert, weil die Herstellung einer
solchen Ventilplatte komplexer ist, was zusätzliche Kosten
und Zeit bedeutet.
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Darum
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hydraulikeinheit
mit einer Ventilplatte bereitzustellen, die den Wirkungsgrad der
Hydraulikeinheit verbessert.
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Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Spezifikation
und den Ansprüchen hervor.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Hydraulikeinheit weist eine erste Stützstruktur mit einer
darin ausgebildeten Öffnung auf. Eine Ventilplatte ist
lösbar innerhalb der Öffnung der ersten Stützstruktur
angeordnet. Genauer gesagt hat die Ventilplatte einen Innen- und
einen Außendurchmesser, wobei sich ein Körper
dazwischen erstreckt. Der Außen durchmesser ist in einer
ersten Position neben und in unmittelbarer Nähe zu der
ersten Stützstruktur angeordnet, während der Innendurchmesser eine
Ventilplattenöffnung umgibt. In dem Ventilplattenkörper
ist auch ein bogenförmiger Einlass und Auslass angeordnet.
Außerdem ist in der ersten Position eine zweite Stützstruktur
lösbar innerhalb der Ventilplattenöffnung angeordnet.
Wenn Fluid durch den bogenförmigen Einlass und Auslass
strömt, so biegt sich der Körper der Ventilplatte
dergestalt durch, dass der Innendurchmesser die zweite Stützstruktur
in Eingriff nimmt und der Außendurchmesser die erste Stützstruktur
in Eingriff nimmt, um eine zweite Position bereitzustellen. In dieser
zweiten Position wird eine auf den Ventilplattenkörper
einwirkende Belastung von dem Körper zu der ersten und
der zweiten Stützstruktur übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blick auf die Ventilplatte mit Stegen des Standes der Technik
von unten.
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2 ist
eine Schnittansicht einer Ventilplatte innerhalb einer Hydraulikeinheit
von unten.
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3 ist
eine Schnittansicht einer Ventilplatte innerhalb einer Hydraulikeinheit
von unten in einer zweiten Position.
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4 ist
eine grafische Darstellung von Druck, der eine Belastung auf eine
Ventilplatte ausübt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2 zeigt
eine Schnittansicht einer Ventilbaugruppe
10 einer Hydraulikeinheit
in einer ersten Position. Obgleich die Hydraulikeinheit nicht gezeigt ist,
könnte die Hydraulikeinheit von jedem beliebigen Typ sein,
wie zum Beispiel eine Axialkolben-Hydraulikeinheit, die mit einer
Taumelscheibe versehen ist, wie es im
US-Patent
Nr. 6,640,687 an Frantz et al. und im
US-Patent Nr. 6,688,417 an Hansell
gezeigt ist, die beide in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Gleichermaßen könnte die Hydraulikeinheit eine
Schrägachseneinheit sein, wie sie im
US-Patent Nr. 6,203,283 an Fleming
et al. und im
US-Patent Nr. 1,137,283 an
Pratt gezeigt ist, die ebenfalls beide in den vorliegenden Text
aufgenommen werden. Des Weiteren könnte die Hydraulikeinheit
entweder eine Pumpe oder ein Motor sein, ohne außerhalb
des Geltungsbereichs der Offenbarung zu fallen.
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Die
Ventilbaugruppe 10 weist eine erste Stützstruktur 12 auf,
in der eine Öffnung 14 ausgebildet ist. Die erste
Stützstruktur 12 in einer Schrägachseneinheit
ist ein Joch, während in einer anderen Ausführungsform
die erste Stützstruktur 12 eine Endkappe in einer
Axialkolbeneinheit ist.
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In
der Öffnung 14 der ersten Stützstruktur 12 ist
eine Ventilplatte 16 angeordnet. Die Ventilplatte 16 hat
einen Körper 18, der sich zwischen einem Innendurchmesser 20 und
einem Außendurchmesser 22 erstreckt. Der Innendurchmesser 20 umgibt
eine Ventilplattenöffnung 24. Der Körper 18 hat
außerdem einen bogenförmigen Einlass 26 und
einen bogenförmigen Auslass 28, die beide zwischen
dem Innendurchmesser 20 und dem Außendurchmesser 22 angeordnet
sind. Wenn Fluid durch den bogenförmigen Einlass und Auslass 26, 28 strömt,
so wirken auf deren Umfänge Belastungen ein.
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In
der Ventilplattenöffnung 24 ist eine zweite Stützstruktur 30 angeordnet.
In einer Ausführungsform ist die zweite Stützstruktur
in einer Schrägachseneinheit eine Spindel. In einer anderen
Ausführungsform ist die zweite Stützstruktur in
einer Axialkolbeneinheit ein Lager.
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Bei
der Herstellung wird die Ventilplatte 16 in einer solchen
Größe und Form ausgebildet, dass, wenn sie in
einer ersten Position innerhalb der Öffnung 14 (2)
der ersten Stützstruktur 12 angeordnet wird, ein
erster und ein zweiter Spielraum 32, 34 zwischen
der Ventilplatte 16 und der ersten Stützstruktur 12 bzw.
der zweiten Stützstruktur 30 entsteht. Genauer
gesagt ist in einer ersten Position, wie in 2 gezeigt,
wenn ein minimaler Druck auf den bogenförmigen Einlass
und Auslass 26, 28 wirkt, der Außendurchmesser 22 lösbar
neben der ersten Stützstruktur 12 innerhalb der Öffnung 14 angeordnet.
Somit befindet sich der Außendurchmesser 22 des
Körpers 18 in der ersten Position in unmittelbarer Nähe
zu der ersten Stützstruktur 12. Die Entfernung zwischen
dem Außendurchmesser 22 und der ersten Stützstruktur 12 wird
als der erste Spielraum 32 angesehen. In einer bevorzugten
Ausführungsform misst der erste Spielraum maximal 0,1 mm.
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Gleichermaßen
ist die Ventilplatte 16, wenn sie sich in der ersten Position
befindet, wie in 2 zu sehen, so angeordnet, dass
der Innendurchmesser 20 lösbar neben und in unmittelbarer
Nähe zu der zweiten Stützstruktur 30 angeordnet
ist. Genauer gesagt wird die Entfernung zwischen dem Innendurchmesser 20 und
der zweiten Stützstruktur 30 als der zweite Spielraum 34 angesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform misst der zweite Spielraum 34 maximal
0,1 mm.
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Wenn
während des Betriebes der Hydraulikeinheit Fluid durch
den bogenförmigen Einlass und Auslass 26, 28 fließt,
so werden Belastungen auf den Ventilkörper 18 ausgeübt.
Bei Erreichen eines Schwellenbelastungspegels biegen sich der Innendurchmesser 20 und
der Außendurchmesser 22 von dem Einlass und Auslass 26, 28 weg
in Richtung der ersten Stützstruktur und der zweiten Stützstruktur 12, 30.
Der Innendurchmesser 20 biegt sich, bis er die zweite Stützstruktur
in Eingriff nimmt, während sich der Außendurchmesser 22 biegt,
bis er die erste Stützstruktur 12 in Eingriff
nimmt. Sobald der Innendurchmesser 20 oder der Außendurchmesser 22 die erste
Stützstruktur 12 oder die zweite Stützstruktur 30 oder
beide in Eingriff nimmt, wird die Ventilbaugruppe 10 als
in einer zweiten Position befindlich angesehen.
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In
der zweiten Position wird, weil entweder der Innen- oder der Außendurchmesser 20, 22 durch entweder
die erste oder die zweite Stützstruktur 12, 30 in
Eingriff genommen wird, der Ventilplattenkörper 18 zusätzlich
versteift. Somit wird in einer zweiten Position eine Belastung von
dem Körper 18 zu entweder der ersten oder der
zweiten Stützstruktur oder beiden 12, 30 übertragen,
um einen Schaden der Ventilplatte 16 an dem bogenförmigen
Einlass und Auslass 26, 28 zu verhindern.
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4 zeigt
ein Diagramm des Drucks 35a im Verhältnis zur
Belastung 35b auf den Ventilplattenkörper 18 während
des Betriebes. In der ersten Position, wie durch die Linie 36 gezeigt,
nehmen der Innen- und der Außendurchmesser die erste oder
zweite Stützstruktur nicht in Eingriff. Folglich nimmt
bei steigendem Druck die Belastung mit schneller Rate zu. Dann wird
am Punkt 38, der eine Anordnung in der zweiten Position
der Ventilplatte 16 darstellt, wobei der Innen- oder der
Außendurchmesser 20, 22 das erste oder
das zweite Stützelement in Eingriff nimmt, die Rate, mit
der die Belastung zunimmt, stark verringert, wie durch die Linie 40 gezeigt.
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Durch
Anordnen einer ersten und einer zweiten Stützstruktur 12, 30 in
unmittelbarer Nähe zu dem Innen- und dem Außendurchmesser 20, 22 des
Ventilplattenkörpers 18 in einer zweiten Position
ist der Ventilplattenkörper 18 in der Lage, die
erste und die zweite Stützstruktur 12, 30 in
Eingriff zu nehmen, um eine zusätzliche Stütze
zu bilden und einen Schaden zu vermeiden. Dies geschieht ohne die
Notwendigkeit, Stege innerhalb des bogenförmigen Einlasses oder
Auslasses 26, 28 anzuordnen, und folglich wird ein
maximaler Fluidfluss durch den Einlass und den Auslass 26, 28 ermöglicht,
wodurch der Wirkungsgrad der Hydraulikeinheit maximiert wird. Außerdem kann
der Betrag der erzeugten Stützkraft für jede Bauform
angepasst werden, indem die Spielräume 32, 34 sowie
die Steifigkeit der Ventilplatte und der Stützelemente
so optimiert werden, dass eine Stützwirkung oberhalb eines
gewünschten Druckpegels erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2915985 [0003]
- - US 3249061 [0003]
- - US 6640687 [0013]
- - US 6688417 [0013]
- - US 6203283 [0013]
- - US 1137283 [0013]