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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines eingestellten
Hubvolumens einer hydrostatischen Kolbenmaschine.
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Aus
der
DE 101 19 236
C1 ist eine hydrostatische Kolbenmaschine in Schrägachsenbauweise bekannt.
Die Axialkolbenmaschine ist verstellbar ausgeführt. Zur
Verstellung des Neigungswinkels der Zylindertrommelachse gegen die
Antriebswellenachse ist eine Stellvorrichtung mit einem Stellkolben
vorgesehen. Der Stellkolben ist in Richtung seiner Stellkolbenachse
verschiebbar geführt und mit der Zylindertrommel zur Verstellung
verbunden. Um den eingestellten Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine erfassen
zu können, ist ein Sensor vorgesehen. Der Sensor ist als
Drehwinkelsensor ausgebildet. Zur Erfassung der Position des Stellkolbens
und damit letztlich des eingestellten Verdrängungs- oder
Schluckvolumens der Axialkolbenmaschine ist an der Welle des Sensors
ein Hebelarm angeordnet. Während das eine Ende des Hebelarms
drehfest mit der Welle verbunden ist, ist das davon abgewandte Ende
in eine Ausnehmung des Stellkolbens eingesetzt. Eine lineare Verschiebung
des Stellkolbens bewirkt damit eine Drehung des Hebelarms um die
Wellenachse. Eine Anpassung des maximalen Stellkolbenwegs an den
Stellbereich des Drehwinkelsensors erfolgt über eine geeignete
Auswahl der Länge des Hebels. Dies kann jedoch bei großen
Stellwegen zu einer erheblichen Vergrößerung des
Gesamtbauraums der Axialkolbenmaschine führen.
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Insbesondere
ist daran nachteilig, dass die seitlich an dem Gehäuse
ausgebildete Sensoreinheit mit zunehmender Untersetzung einen relativ
großen Abstand vom eigentlichen Stellvorrichtungsgehäuse aufweist.
Dies erschwert die Einbausituation und die exponierte Lage des Sensors
führt zu einem erheblichen Beschädigungsrisiko.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen
eines eingestellten Hubvolumens zu schaffen, bei dem eine Anpassung
zwischen der maximalen Bewegung des Stellkolbens und dem Erfassungsbereich
des Sensors möglich ist, wobei eine kompakte Bauweise erreicht
wird.
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Die
Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Gemäß Anspruch
1 weist die Vorrichtung zum Erfassen eines eingestellten Hubvolumens
bzw. einen mit diesem einhergehenden Schwenkwinkel einer hydrostatischen
Kolbenmaschine ein Stellelement zur Erzeugung einer Stellbewegung
und einen Sensor zum Erfassen einer Position des Stellelements auf.
Der Sensor erzeugt ein, die Position des Stellelements kennzeichnendes
Signal, wobei das Stellelement mit dem Sensor über eine Übersetzungsvorrichtung
zusammenwirkt. Erfindungsgemäß weist nun diese Übersetzungsvorrichtung
eine Nut auf. Diese Nut erstreckt sich entlang einer parallel zur Bewegungsrichtung
des Stellelements liegenden Ebene. Dabei schließt die Längsachse
der Nut mit einer Projektion der Bewegungsrichtung des Stellelements
in die Ebene der Nut einen von 0 verschiedenen Winkel ein. In die
Nut greift ein Übertragungselement zum Übertragen
einer Bewegung des Stellelements auf ein Tätigungselement
des Sensors ein.
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Durch
eine geeignete Auswahl des Winkels, den die Längsachse
der Nut mit der Projektion der Bewegungsrichtung in die zur Bewegungsrichtung parallele
Ebene einschließt, wird das Übersetzungsverhältnis
festgelegt. Ohne dass hierdurch ein Abstand zwischen dem Stellelement
und dem Sensor vergrößert werden muss, kann hierdurch
eine Anpassung der maximalen Stellbewegung an den Erfassungsbereich
des Sensors erfolgen. Damit lässt sich eine kompakt bauende
Maschine realisieren. Durch das Eingreifen eines Übertragungselements
in die Nut ist ferner gewährleistet, dass unabhängig
von einer Bewegungsrichtung immer eine Stellkraft auf das Übertragungselement
ausgeübt wird.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, den Sensor als Drehwinkelsensor auszubilden,
wobei in einem drehbaren Betätigungselement des Drehwinkelsensors
das Übertragungselement exzentrisch angeordnet ist. Das
Einführen des Übertragungselements in die Nut
der Übersetzungsvorrichtung führt somit aufgrund
der exzentrischen Anordnung in dem Betätigungselement zu
einer Drehbewegung und damit zu einer unmittelbaren Ansteuerung
des Sensors.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, die Nut in einen Anlenkkolben einzubringen,
der zumindest an seinem von dem Stellelement abgewandten Ende einen abgeflachten
Abschnitt aufweist. Die Nut ist dann im Bereich dieser Abflachung
angeordnet. Der Anlenkkolben dient dabei der Übertragung
der Position des Stellkolbens auf das Übertragungselement
und so letztlich auf den Sensor. Durch unterschiedliche Anlenkkolben
kann gegebenenfalls, ohne dass eine Neukonstruktion des eigentlichen
Stellelements erforderlich wird, eine Anpassung beispielsweise auf unterschiedliche
Sensoren erfolgen. Dies reduziert den Kostenaufwand und erleichtert
die Anpassung an unterschiedliche Aggregate-Generationen. Es muss
nur die Übersetzungsvorrichtung durch Ändern des
Winkels angepasst werden. Die Abflachung ermöglicht zudem,
dass der Kolben in einfacher Weise gegen ein Verdrehen gesichert
wird. Hierzu ist korrespondierend zu der Abflachung vorzugsweise
in dem aufnehmenden Gehäuse der Stellvorrichtung eine Führungsfläche
ausgebildet.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Nut in einen Anlenkkolben eingebracht
ist und dieser Anlenkkolben auf seiner dem Stellelement zugewandten Seite
ein Federlager aufweist. Durch das Ausbilden des Federlagers an
den Anlenkkolben ist eine separate Fixierung des Stellkolbens bzw.
des Stellelements an dem Anlenkkolben nicht erforderlich. Durch die
Federkraft wird die dem Stellelement zugewandte Seite des Anlenkkolben
stets in Anlage an einer Stirnfläche des Stellelements
gehalten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Anlenkkolben
und das Stellelement verdrehgesichert miteinander verbunden. Eine solche
Verdrehsicherung zwischen dem Stellelement und dem Anlenkkolben
ermöglicht es insbesondere, eine Verdrehsicherung, die
zwischen dem Anlenkkolben und dem Gehäuse ausgebildet ist,
gleichzeitig als Verdrehsicherung für das Stellelement
zu nutzen. Das Stellelement selber kann daher beispielsweise als
rotationssymmetrischer Stellkolben ausgebildet sein, was die Fertigung
vereinfacht und somit letztlich die Kosten reduziert. Das Übertragungselement
ist vorzugsweise ein Kugelzapfen. Das kugelkopfförmige
Ende des Kugelzapfens greift dabei in die Nut ein. Durch eine solche
Ausbildung des Kugelzapfens und die Führung an der kugelkopfförmigen
Seite wird die Funktionssicherheit weiter erhöht, da ein
Verklemmen in der Nut sicher vermieden wird. Insbesondere spielen
bei der kugelkopfförmigen Ausgestaltung Bauteiltoleranzen,
wie sie in der Fertigung zwangsläufig entstehen eine untergeordnete
Rolle. Darüber hinaus ist auch die Positionierung in dem
Betätigungselement unerheblich.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein integraler
Bestandteil einer hydrostatischen Kolbenmaschine. Dadurch ist die
hydrostatische Kolbenmaschine bereits fähig, den eingestellten
Schwenkwinkel bzw. das eingestellte Hubvolumen zu erfassen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung gezeigt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Teilschnitt durch ein Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen
eines Schwenkwinkels;
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2 ein
Teilschnitt durch einen Teil einer Stellvorrichtung der Axialkolbenmaschine
nach 1;
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III der 2;
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4 eine
vergrößerte Darstellung des Anlenkkolbens zur
Erläuterung der Lage der Nut; und
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5 eine
perspektivische Darstellung des Anlenkkolbens.
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Die
nachfolgenden Ausführungen gehen von einer Axialkolbenmaschine
in Schrägachsenbauweise aus. Die dargestellten Beispiele
beziehen sich auf eine Doppelpumpe, wobei es selbsterklärend
ist, dass die Erfindung auch auf andere hydrostatische Kolbenmaschinen übertragbar
ist, bei der eine Stellbewegung zur Erfassung durch einen Schwenkwinkelsensor
bzw. einem Hubvolumensensor übersetzt werden muss. Nachfolgend
wird lediglich der Begriff des Schwenkwinkels verwendet.
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In
der Axialkolbenmaschine 1 ist eine Zylindertrommel 2 angeordnet,
in der in allgemein bekannter Weise mehrere Kolben in Zylinderbohrungen angeordnet
sind. Aufgrund des eingestellten Winkels der Zylindertrommelachse
relativ zu einer An- bzw. Abtriebswellenachse, d. h. des Schwenkwinkels, ändert
sich das Hubvolumen. Damit kann das eingestellte Schluck- oder Verdrängungsvolumen
verändert werden. Zur Verstellung ist in einer gehäuseseitigen Lagerung
der Zylindertrommel 2 ein Mitnehmer 3 in einem
Stellelement angeordnet. Das Stellelement ist vorzugsweise als Stellkolben 4 ausgebildet. Der
Stellkolben 4 ist zwischen einer ersten und zweiten Endlage
positionierbar. Diese Position entspricht dem eingestellten Fördervolumen
im Falle einer Axialkolbenpumpe. Zur Erfassung der Position des
Stellkolbens 4 und damit des eingestellten Schwenkwinkels
und damit des eingestellten Hubvolumens ist eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Erfassen des Schwenkwinkels 5 vorgesehen.
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In
der 1 wird der besseren Übersichtlichkeit
wegen lediglich ein erster Überblick über die
Vorrichtung 5 gegeben, deren Details nachfolgend unter Bezugnahme
auf die weiteren Figuren angegeben sind.
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Die
Vorrichtung 5 umfasst einen Sensor 6. Der Sensor 6 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel als Drehpotentiometer
ausgeführt. Zur Erfassung des Schwenkwinkels muss also
eine lineare Bewegung bzw. eine eingestellte Position des Stellkolbens
in eine zugeordnete Winkelposition der Welle des Sensors 6 übersetzt
werden.
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Um
den Stellkolben 4 zu jedem Zeitpunkt in einer definierten
Ausgangsposition zu halten, ist eine Feder 8 vorgesehen,
die den Stellkolben 4 in Richtung einer ersten Endlage
beaufschlagt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel greift
die Feder 8 an einem Anlenkkolben 7 an, der durch
die Feder 8 in Anlage an den Stellkolben 4 gehalten
wird. Mittels des Anlenkkolbens 7 wird eine lineare Bewegung
des Stellkolbens 4 auf das Betätigungselement 9 übertragen.
Zur Vermeidung einer relativen Drehung zwischen dem Anlenkkolben 7 und
dem Stellkolben 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 ein Passstift vorgesehen. Der Passstift greift
in die einander zugewandten Stirnflächen des Stellkolbens 4 und
des Anlenkkolbens 7 ein. Das Betätigungselement 9 ist
ein Zwischenstück, welches an die jeweilige Anbausituation
des Sensors 6 angepasst ist und eine Bewegung eines Übertragungselements 10 auf
die Welle des Sensors 6 überträgt. Das Übertragungselement 10 ist
exzentrisch zur Achse der Welle des Sensors 6 als Drehbewegung
in dem Betätigungselement 9 angeordnet. Die Achse
des Übertragungselements 10 und des Betätigungselements 9 sind
parallel zueinander und stehen insbesondere senkrecht auf der Bewegungsrichtung
des Stellkolbens 4.
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In
den Anlenkkolben 7 ist eine Nut 11 eingebracht.
Die Nut 11 verläuft entlang einer Ebene, die parallel
zu der Bewegungsrichtung des Stellkolbens 4 liegt. Die
Ebene steht ferner senkrecht auf der Achse der Welle des Sensors 6.
In der Ebene ist die Nut 11 ausgebildet, wobei die Nut
schräg zur Bewegungsrichtung des Stellkolbens 4 verläuft.
D. h. eine Projektion der Bewegungsrichtung bzw. der Stellkolbenachse
auf die Ebene schließt mit der Längsachse der
Nut einen von 0 verschiedenen Winkel ein. Über die Größe
des Winkels lässt sich dabei das Übersetzungsverhältnis
der das Übertragungselement 10 und den Anlenkkolben 7 aufweisenden Übersetzungsvorrichtung
einstellen.
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Die 2 zeigt
noch einmal die Vorrichtung zum Erfassen des Schwenkwinkels in einer
vergrößerten Darstellung. Es ist zu erkennen,
dass der Anlenkkolben 7 einen abgeflachten Bereich 12 aufweist. Ansonsten
ist der Anlenkkolben 7 durch eine Abfolge kreisförmiger
Querschnitte geprägt, wobei an dem von dem Sensor 6 abgewandten
Ende durch eine radiale Erweiterung ein Federlager 13 ausgebildet
ist. An diesem Federlager 13 stützt sich die im
Bezug auf 1 bereits erläuterte
Feder 8 ab. Das davon abgewandte Ende der Feder 8 stützt
sich gehäuseseitig ab.
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Die
Nut 11 ist in den abgeflachten Bereich 12 des
Anlenkkolbens 7 eingebracht. Der abgeflachte Bereich 12 bildet
eine Fläche an dem Anlenkkolben 7 aus, die parallel
zu der Ebene der Nut 11 und insbesondere parallel zu der
durch den Pfeil in der 2 dargestellten Bewegungsrichtung
verläuft. Die Lage der Ebene ist in der 2 durch
die strichpunktierte Linie 18 gekennzeichnet. In die Nut 11 greift
das Übertragungselement 10 ein, das an seinem
in die Nut 11 eingreifenden Ende einen Kugelkopf 14 aufweist.
Der Durchmesser des Kugelkopfs 14 stimmt etwa mit der Breite
der Nut 11 überein.
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Der
Sensor 6 wird durch Verdrehen einer Welle 15 eingestellt.
Zur Übertragung einer Bewegung des Übertragungselements 10 auf
die Welle 15 ist ein Betätigungselement 9 vorgesehen.
Das Betätigungselement 9 ist drehfest mit der
Welle 15 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
erfolgt dies über eine abgeflachte Stelle an der Welle 15, wobei
die Welle 15 in eine korrespondierende Geometrie des Betätigungselements 9 eingreift.
Das Betätigungselement 9 ist drehbar in einem
Gehäuse des Sensors 6 gelagert. Exzentrisch zu
der Drehachse des Betätigungselements 9, die mit
der Drehachse der Welle 15 übereinstimmt, ist
in das Betätigungselement 9 auf der, dem Anlenkkolben 7 zugewandten Seite
das Übertragungselement 10 eingesetzt. Das Übertragungselement 10 ist
rotationssymmetrisch und seine Symmetrieachse verläuft
parallel zur Drehachse des Betätigungselements 9.
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Aufgrund
der schrägen Anordnung der Nut 11 relativ zu der
Bewegungsrichtung des Stellkolbens 4 wird bei einer Bewegung
des Stellkolbens 4 eine zur Bewegungsrichtung seitliche
Auslenkung des Übertragungselements 10 bewirkt.
Diese seitliche Auslenkung führt zu einer Drehung des Betätigungselements 9 um
die Achse der Welle 15 des Sensors. Der als Drehpotentiometer
ausgebildete Sensor erzeugt daraufhin ein Signal, welches der jeweiligen
Position des Anlenkkolbens 7 entspricht. Da der Anlenkkolben 7 mit
dem Stellelement, im vorliegenden Beispiel also dem Stellkolben 4,
fest verbunden ist und somit einer axialen Bewegung des Stellkolbens 4 folgt,
wird durch den Sensor 6 ein der Position des Stellelements
entsprechende Signal ausgegeben. Zur Übermittlung des Signals
an beispielsweise ein elektronisches Steuergerät ist ein
elektrischer Anschluss 17 vorgesehen. In der 3 ist
ein Schnitt entlang der Linie III-III der 2 dargestellt. Übereinstimmende
Elemente sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf ihre vollständige
Beschreibung wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
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Der
Schnitt in der 3 verläuft senkrecht zur
Bewegungsrichtung des Stellkolbens 4 und damit auch des
Anlenkkolbens 7. In der 3 ist gut
zu erkennen, dass der abgeflachte Bereich 12 an dem Anlenkkolben 7 eine
Fläche ausbildet, die parallel zur Ebene 18 verläuft.
Ferner ist gut zu erkennen, dass die Achse 19 der Welle 15 senkrecht
auf der Ebene 18 steht. Die Breite der Nut 11 stimmt
wie bereits erläutert mit dem Durchmesser des kugelkopfförmigen Endes 14 des Übertragungselements 10 überein. Dadurch
entsteht eine Art Zwangsführung, die gegenüber
Systemen mit einseitiger Anlage Hysterese-Effekte vermeidet.
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In
der 4 ist vergrößert noch einmal
der Anlenkkolben 7 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Längsachse 20 der
Nut 11 mit einer Projektion der Bewegungsrichtung in die
Ebene der Nut 11 einen Winkel α einschließt.
Die Größe des Winkels α bestimmt dabei
das Übersetzungsverhältnis der Übersetzungsvorrichtung.
Ferner ist zu erkennen, dass an dem in Richtung auf das Federlager 3 orientierten Endes
eine Ausnehmung 21 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 21 erleichtert
das Einführen des kugelkopfförmigen Endes des Übertragungselements 10.
Der Anlenkkolben 7 ist in der 5 noch einmal
in einer perspektivischen Darstellung gezeigt.
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Es
ist insbesondere zu bemerken, dass die vorgeschlagene Vorrichtung
zur Erfassung eines Schwenkwinkels nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
mit einem Drehpotentiometer beschränkt ist. Insbesondere
können auch Sensoren, die eine lineare Bewegung zur Erfassung
einer Position benötigen, vorgesehen sein. Die Stellrichtung eines
solchen Sensors steht dann senkrecht auf der Bewegungsrichtung des
Stellelements, wobei auch hier das Übertragungselement
in die schräg verlaufende Nut 11 eingreift. Insbesondere
ist es vorteilhaft, dass weder eine Hysterese auftritt, noch die
Baugröße der gesamten Anordnung vom eingestellten Übersetzungsverhältnis
abhängt. Insbesondere bleibt der Abstand einer Montagefläche,
an der der Sensor 6 angeordnet ist zur Achse des Stellkolbens 4 unabhängig
vom gewählten Übersetzungsverhältnis.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Insbesondere sind auch einzelne Merkmale des
Ausführungsbeispiels in vorteilhafter Weise miteinander
kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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