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Die Erfindung betrifft eine Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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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 nahezu stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordnete Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über einen niederdruckseitiges Ventil und ein hochdruckseitiges Ventil mit einem Druckmittelzulauf oder einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
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Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind und im jeweiligen Arbeitsraum im „Full-Mode”, im „Partial Mode” oder im „Idle Mode” zu betreiben sind. Dadurch kann das Förder- oder Schluckvolumen nahezu stufenlos von einem Maximalwert auf 0 verstellt werden. Über die Steuereinheit werden die Ventile nach einem Regelalgorithmus angesteuert, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittssteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
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Entsprechende Hydromaschinen sind auch in der
WO 2008/012577 A2 , der
WO 2008/012586 A1 oder der
WO 2004/025122 A1 bekannt. Bei all diesen Hydromaschinen erfolgt die Ansteuerung der Ventile unter anderem in Abhängigkeit von dem Hub der jeweiligen Kolben, der wiederum vom Drehwinkel einer Antriebs- bzw. Abtriebswelle abhängt, die mit beispielsweise bei einer Axialkolbenmaschine mit der oben genannten Taumelscheibe in Wirkverbindung steht.
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Bei den bekannten Lösungen sind zur Messung des Drehwinkels bzw. der Drehzahl Drehwinkelsensoren verwendet, bei denen ein Aufnehmer mit einer inkrementellen Spur in Wirkverbindung steht. D. h. bei diesen Lösungen ist beispielsweise am Außenumfang der An-/Abtriebswelle oder des sich drehenden Zylinders eine Spur, beispielsweise aus regelmäßig eingebrachten Vertiefungen – ähnlich eines Zahnrades – eingebracht, die bei der Drehung, beispielsweise durch Änderung des Magnetfeldes, ein Aufnehmersignal erzeugen, das zur Bestimmung der relativen Drehwinkelposition verwendet wird. Dabei ist die Spur häufig noch mit einer Kennung versehen, über die eine Referenzposition erfassbar ist. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass die erzielbare Genauigkeit und Auflösung den Anforderungen an die Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Hydromaschine (DDU) nicht genügt. Des Weiteren arbeiten die Sensoren häufig nach optischen Verfahren, so dass sie praktisch nicht in dem zu fördernden Medium angeordnet werden können.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei dieser inkrementellen Drehwinkelmessung bis zu eine Umdrehung erforderlich ist, um die Referenzposition der Welle zu erfassen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hydromaschine zu schaffen, bei der die Drehwinkelposition eines sich drehenden Bauteils, beispielsweise einer Zylindertrommel oder einer Antriebs- bzw. Abtriebswelle mit hoher Genauigkeit erfassbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist die Hydromaschine als DDU (Digital Displacement Unit) ausgeführt und hat eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Arbeitsräumen, die jeweils durch einen Kolben und eine diesen aufnehmenden Zylinderbohrung begrenzt sind. Die Kolben sind an einem relativ zu diesen beweglichen Hubelement abgestützt, so dass diese durch die Relativbewegung des Zylinders mit Bezug zu dem die Kolben abstützenden Hubelement einen Hub in der Zylinderbohrung durchführen. Jeder Arbeitsraum ist über Hochdruck- und Niederdruckventile mit Hochdruck bzw. mit Niederdruck verbindbar. Die Hydromaschine hat eine Steuerung zum wahlweise betätigen dieser Ventile und einen Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehwinkelposition des Zylinders oder des Hubelementes. Erfindungsgemäß ist der Drehwinkelsensor mit einer Graycodespur und einer Inkrementalspur ausgeführt, denen jeweils ein Aufnehmer zugeordnet ist.
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Durch die Verwendung einer herkömmlichen Inkrementalspur und einer zusätzlichen Graycodespur wird eine absolute Drehwinkelerfassung mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Mit diesem Drehwinkelgeber ist keine Referenzierung wie bei den eingangs beschriebenen Inkrementalgebern erforderlich. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es somit, die Drehwinkelposition und damit den Hub des jeweiligen Kolbens äußerst exakt zu erfassen und in Abhängigkeit von dieser Position und dem gewünschten Förder-/Schluckvolumen die niederdruck- bzw. hochdruckseitigen Ventile anzusteuern.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Spuren am Umfang eines diese tragenden Grundkörpers angeordnet und entsprechend die Aufnehmer des Drehwinkelsensors entlang dieses Umfangsabschnittes verteilt.
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Der Drehwinkelsensor lässt sich kompakt ausführen, wenn die beiden Spuren in Axialrichtung versetzt angeordnet sind. Die Relativanordnung der jeweils zugeordneten Aufnehmer ist dann entsprechend.
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Zur Verbesserung der Auflösung der Drehwinkelmessung können einer Spur mehrere Aufnehmer zugeordnet werden. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel sind der Graycodespur fünf Aufnehmer und der inkrementellen Spur ein Aufnehmer zugeordnet.
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Bei einer Variante der Erfindung ist die inkrementelle Spur mit mehr Spurabschnitten als die Graycodespur ausgeführt. Als geeignet hat sich eine Variante mit 72 Spurabschnitten der inkrementellen Spur und 36 Spurabschnitten der Graycodespur erwiesen = das Verhältnis der Spurabschnitte beträgt somit vorzugsweise 2:1.
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Bei einer Hydromaschine ist der die Spuren tragende Grundkörper an einer An- oder Abtriebswelle der Hydromaschine gelagert. Prinzipiell können die beiden Spuren jedoch auch direkt auf das rotierende Bauteil aufgebracht werden.
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Die Aufnehmer können gehäuseseitig in einer eigenen Halterung aufgenommen werden, die in eine entsprechende Aufnahme des Gehäuses eingesetzt sind.
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Der Aufbau der Hydromaschine ist besonders einfach, wenn die beiden Spuren im Druckmittel angeordnet sind.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn keine optischen Sensoren sondern magnetische Drehwinkelgeber verwendet werden. Derartige magnetische Sensoren können beispielsweise nach dem Hall-Effekt oder, allgemein gesprochen, als magnetostatische Sensoren ausgeführt sein.
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In dem Fall, in dem die Spuren im Druckmittel laufen, wird es bevorzugt, die Aufnehmer gegenüber dem Druckmittel abzudichten.
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Bei einem sehr einfach ausgeführten Ausführungsbeispiel ist der die Spuren tragende Grundkörper an einem Endabschnitt der Antriebs- oder Abtriebswelle befestigt und von einem Gehäusedeckel überdeckt.
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Die Hydromaschine kann in Axial- oder Radialkolbenbauweise ausgeführt sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer ventilgesteuerten Hydromaschine mit digital veränderbarem Schluck-/Fördervolumen (DDU);
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2 eine Detaildarstellung eines Drehwinkelsensors der Hydromaschine aus 1 und
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3 Spuren des Drehwinkelsensors aus 2.
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Im Folgenden wird zunächst anhand 1 das Funktionsprinzip einer ventilgesteuerten Hydromaschine 1 erläutert, deren Förder-/Schluckvolumen digital verstellbar ist (DDU). Die Hydromaschine 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Axialkolbenmaschine in Taumelscheibenbauweise ausgeführt, wobei 1 eine sehr stark schematisierte Abwicklung zeigt. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert. Hinsichtlich detaillierter Ausführungen wird auf den eingangs beschriebenen Stand der Technik verwiesen. Bei der folgenden Beschreibung ist die Hydromaschine 1 als Hydromotor betrieben, prinzipiell gelten die Ausführungen zum Hydromotor jedoch auch entsprechend für eine Pumpe mit verstellbarem Fördervolumen. Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Hydromaschine keinesfalls auf die Axialkolbenbauweise beschränkt.
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Gemäß der schematischen Darstellung in 1 hat die Hydromaschine 1 eine Zylindertrommel 2, in der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet ist, 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. Diese sind jeweils über einen Kolbenschuh 10 an einer schräg angestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit der 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 Arbeitsraumes 8 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.
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Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen niederdruckseitigen Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.
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Wie bereits eingangs erläutert, sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel 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 Magnetaktors 28 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 des Magnetaktors 30 lässt sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen, in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen kann. Die Ansteuerung des Magnetaktors 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die eingangs beschriebenen Modi (Full-Mode, Partial-Mode, Idle Mode) einstellbar sind, so dass das Schluckvolumen des Hydromotors nahezu stufenlos verstellbar ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Abtriebswelle 12, die über einen Drehwinkelsensor 36 erfasst und über eine Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell können selbstverständlich auch andere Kenndaten der Hydromaschine, wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende Drehmoment, das Schluckvolumen des Hydromotors 1 oder der Drehwinkel der Taumelscheibe bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt werden.
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Die Zylindertrommel 2, die Taumelscheibe und die damit verbundene Abtriebswelle 12 sind in einem Gehäuse 38 der Hydromaschine 1 gelagert. 2 zeigt einen stirnseitigen Endabschnitt dieses Gehäuses 38, in dem die Abtriebswelle 12 über eine nicht dargestellte Lageranordnung gelagert ist. Auf die in 2 sichtbare Stirnfläche 40 des Gehäuses 38 ist ein Lagerdeckel 42 aufgesetzt. Ein abgestufter Endabschnitt der Abtriebswelle 12 taucht in eine Aufnahme 44 des Lagerdeckels 42 ab und ist dort über eine Dichtbuchse 46 abgedichtet.
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An dem oben genannten abgestuften Endabschnitt der Abtriebswelle 12 ist ein axial vorspringender Nabenabschnitt 47 ausgebildet, auf den ein ringförmiger Grundkörper 48 aufgesetzt ist. Die Passung zwischen dem Nabenabschnitt 47 und dem Grundkörper 48 ist mit hoher Genauigkeit ausgeführt, so dass der Grundkörper 48 exakt zentriert ist. Die Drehwinkelpositionierung des Grundkörpers 48 mit Bezug zum Nabenabschnitt 46 der Abtriebswelle 12 ist über einen oder mehrere Passstifte 50 und Befestigungsschrauben 52 gewährleistet, die vorzugsweise auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und achsparallel den Grundkörper 48 und einen Bereich der Abtriebswelle 12 durchsetzen.
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Auf dem Grundkörper 48 sind ein Graycode-Spurträger und ein Inkrementalspurträger 54, 56 befestigt, deren Axialerstreckung wesentlich geringer als diejenige des Grundkörpers 48 ist. Der Graycode-Spurträger 54 ist dabei im Bereich der in 2 unten liegenden Stirnfläche des Grundkörpers 48 und der Inkrementalspurträger 56 im Bereich der oberen Stirnfläche des Grundkörpers 48 gelagert, so dass die Stirnflächen von Grundkörper und jeweiligen Spurträger 54, 56 in etwa fluchten. An den Umfangsflächen der beiden Spurträger 54, 56 sind eine Inkrementalspur 58 bzw. eine Graycodespur 60 ausgebildet.
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Der Aufbau dieser Spuren 58, 60 wird anhand 3 erläutert. Diese zeigt die Abwicklung der Inkrementalspur 58 und der Graycodespur 60. Demgemäß ist die Inkrementalspur 58 in insgesamt 72 Spurabschnitte 62 unterteilt, die jeweils die gleiche Breite aufweisen und die jeweils wechselweise für die Zahl (Bit) „0” oder „1” stehen.
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Die in 3 darunter angeordnete Graycodespur 60 ist in 36 Spurabschnitte 64 unterteilt, wobei durch entsprechende Ausgestaltung dieser Spurabschnitte die jeweiligen Graycodeabschnitte 66, 68, 70 usw. erhalten werden, wobei beispielsweise die hellen Spurabschnitte für die Zahl „0” und die gekreuzten Spurabschnitte für die Zahl „1” stehen. Dementsprechend liefert die Inkrementalspur 58 bei der Rotation der Abtriebswelle 12 einen Takt mit einer Auflösung von 6° während die Graycodespur 60 eine Auflösung von 12° ermöglicht. Durch die gemeinsame Auswertung beider Signale lässt sich die Genauigkeit in Abhängigkeit vom verwendeten Algorithmus weiter erhöhen. Die Graycodespur 60 ist dabei so gewählt, dass sich für die Aufnehmer 72 bei einer Verdrehung um einen Spurabschnitt 64 immer nur ein Bit ändert.
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Die einzelnen Spurabschnitte 62, 64 der Inkrementalspur 58 oder der Graycodespur 60 können zur Darstellung der Information „0” oder „1” unterschiedlich magnetisiert sein oder mit einem ein Magnetfeld verändernden Material ausgeführt werden. Wie in 3 dargestellt, sind der Graycodespur 60 fünf Sensoren 72 zugeordnet, so dass durch Auswertung der Sensorsignale ein 5-bit-Code erfassbar ist. Der Inkrementalspur 58 ist lediglich ein Sensor 74 zur Erfassung eines 1-bit-Codes zugeordnet. Charakteristisch für einen Gray-Code ist, dass sich von den fünf Sensoren 72 erfasste, benachbarte Codewörter nur in einem einzigen Spurabschnitt 64 voneinander unterscheiden. Die Sensoren 74, 72 sind in einer Halterung 76 angeordnet, die in eine Ringaufnahme 78 des Gehäuses 38 kraft- oder formschlüssig eingesetzt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Halterung 76 zweiteilig mit einem Innenring 80 und einem diesen abschnittsweise umgreifenden Außenring 82 ausgeführt, zwischen denen die Aufnehmer 72, 74 gelagert sind. Gemäß 3 sind die fünf Aufnehmer 72 der Graycodespur 60 gleichmäßig entlang des Außenumfangs der Graycodespur 60 verteilt, so dass der Winkelabstand zwischen den benachbarten Aufnehmern 72 72° beträgt.
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Eine Besonderheit der Hydromaschine 1 besteht darin, dass die Spuren 58, 60 in einem Druckmittelraum 84 laufen, der mit dem Druckmittel gefüllt ist. Bei einer derartigen Variante könnten die üblicherweise verwendeten optischen Sensoren nicht oder nur schwierig eingesetzt werden – es wird daher die Verwendung magnetischer Sensoren bevorzugt. Dementsprechend sind die Aufnehmer 72, 74 so ausgelegt, dass sie eine durch die Rotation der Spuren 58, 60 bewirkte Magnetfeldänderung aufnehmen und die entsprechenden Signale zur Berechnung der absoluten Drehwinkelposition verwendbar sind.
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Da diese Aufnehmer 72, 74 relativ empfindlich sind, ist die Halterung 76 gegenüber dem Druckmittelraum 84 über geeignete Dichtungsringe 86, 88 abgedichtet. Der Außenring 78 der Halterung 76 ist vorzugsweise formschlüssig in dem Gehäuse 38 gehalten.
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In Abweichung vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel können der Inkrementalspur 58 auch mehrere Aufnehmer 74 zugeordnet werden. Prinzipiell ist es auch möglich, die Graycodespur 60 mit einer anderen Anzahl von Aufnehmern 72 abzutasten, um die Genauigkeit an die jeweilige Aufgabenstellung anzupassen.
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Der Vorteil der vorbeschriebenen Konstruktion besteht in einer hohen Genauigkeit bei angepasster Auflösung. Der Drehzahlsensor ist im Druckmittel einsetzbar und die Montage ist aufgrund der stirnseitigen Zugänglichkeit des Gehäuses 38 sehr einfach. Des Weiteren zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen äußerst kompakten Aufbau aus, wobei durch die Verwendung der Inkrementalspur 58 und der Graycodespur 60 mit einer vergleichsweise großen Anzahl von Sensoren eine sehr exakte Drehwinkelbestimmung mit kurzer Signallaufzeit und guter Auswertbarkeit der Signale ermöglicht ist.
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Durch die Maßnahme, die beiden Spuren 58, 60 auf einem Träger (Grundkörper 48, Spurträger 54, 56) anzuordnen, ist die Positionierung der Sensorik sehr flexibel möglich, wobei auch eine Nachrüstung ohne größeren Aufwand ins Auge gefasst werden kann.
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Offenbart ist eine Hydromaschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen, deren Drehwinkelposition mittels eines Drehwinkelsensors erfasst wird, der eine Graycodespur und eine Inkrementalspur aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydromaschine
- 2
- Zylindertrommel
- 4
- Zylinderbohrung
- 6
- Kolben
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- Kolbenschuh
- 12
- Abtriebswelle
- 14
- Steuerkurve
- 16
- Zulaufventil
- 18
- Zulaufleitung
- 20
- Pumpe
- 22
- Ablaufventil
- 24
- Ablaufleitung
- 26
- Magnetaktor
- 30
- Magnetaktor
- 34
- Steuereinheit
- 36
- Drehzahlsensor
- 38
- Gehäuse
- 40
- Stirnfläche
- 42
- Lagerdeckel
- 44
- Aufnahme
- 46
- Dichtbuchse
- 47
- Nabenabschnitt
- 48
- Grundkörper
- 50
- Passstift
- 52
- Befestigungsschraube
- 54
- Graycodespurträger
- 56
- Inkrementalspurträger
- 58
- Inkrementalspur
- 60
- Graycodespur
- 62
- Spurabschnitt
- 64
- Spurabschnitt
- 66
- Graycodeabschnitt
- 68
- Graycodeabschnitt
- 70
- Graycodeabschnitt
- 72
- Aufnehmer
- 74
- Aufnehmer
- 76
- Halterung
- 78
- Ringaufnahme
- 80
- Innenring
- 82
- Außenring
- 84
- Druckmittelraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1537333 B1 [0002]
- WO 2008/012577 A2 [0004]
- WO 2008/012586 A1 [0004]
- WO 2004/025122 A1 [0004]
