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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 angeordneten 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 (Sitzventile) ausgeführt, die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind und im jeweiligen Arbeitsraum im „Volllastbetrieb”, im „Teillastbetrieb” oder im „Leerlauf” 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 beispielsweise bei einer Axialkolbenmaschine mit der oben genannten Taumelscheibe in Wirkverbindung steht.
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Bei den bekannten Lösungen werden zur Erfassung des Drehwinkels bzw. der Drehzahl Drehwinkelsensoren verwendet, die als Encoder bezeichnet sind.
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Aus einem hausinternen Stand der Technik ist es bekannt, die Hydromaschine als DDU (Digital Displacement Unit) auszuführen, die eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Arbeitsräumen hat, welche 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 hausintern bekannte Hydromaschine hat eine Steuerung zum wahlweisen Betätigen dieser Ventile und einen Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehwinkelposition des Zylinders oder des Hubelementes. Bei dem hausinternen Stand der Technik ist der Drehwinkelsensor mit einer so genannten 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 sowie zu jeder Zeit ermöglicht. Mit diesem Drehwinkelgeber ist keine Referenzierung wie bei den eingangs beschriebenen Inkrementalgebern erforderlich. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es somit, die Drehwinkelpositionn und damit den Hub des jeweiligen Kolbens äußerst exakt sofort zu erfassen und in Abhängigkeit von dieser Position und dem gewünschten Förder-/Schluckvolumen die niederdruck- bzw. hochdruckseitigen Ventile anzusteuern.
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Obgleich diese Ausgestaltung eine permanente/augenblickliche Erfassung der absoluten Winkelposition der An-/Abtriebswelle ermöglicht, so erweist sich die Verwendung entsprechend geeigneter Sensoren sowie die notwendige elektronische Informationsverarbeitungseinrichtung als äußerst teuer.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hydromaschine zu schaffen, bei der die Messung der Drehwinkelposition eines sich drehenden Bauteils, beispielsweise einer Zylindertrommel oder einer Antriebs- bzw. Abtriebswelle entsprechend dem Einsatzbereich der Hydromaschine mit ausreichender Genauigkeit rechtzeitig zur Verfügung steht und gleichzeitig möglichst kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Demzufolge besteht die Erfindung darin, die gattungsgemäße Hydromaschine, welche mit DDU-Technik (digital verstellbares Förder-/Schluckvolumen) ausgerüstet ist, mit einem inkrementellen Winkelencoder vorzugsweise mit Nullimpuls zu versehen. Ein solcher Encoder erfüllt die dynamischen Eigenschaften, die für den Einsatz der DDU-Technologie notwendig sind.
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Beim Einsatz der DDU-Technologie ist die Information über die Position der Welle von großer Wichtigkeit. Allerdings ist diese Kenntnis nicht für jeden Betriebsmodus jederzeit erforderlich. Wird das System nur im Pumpenbetrieb verwendet, kann die Antriebswelle ohne Funktionsbeeinträchtigung eine Umdrehung vom Antriebsmotor (beispielsweise ein Dieselmotor) angetrieben werden und zwar ohne Aktivierung der Ventile („Leerlaufbetriebsmodus”), um hierbei den Nullpunkt zu finden. Ist dieser Nullpunkt erst gefunden, kann die absolute Winkelposition der Antriebswelle softwaremäßig ermittelt werden. Das Gleiche gilt auch für einen Motorbetrieb der Hydromaschine ohne Anfahrmodus.
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Vorzugsweise verfügt der erfindungsgemäße Encoder über ein Zahnrad, dessen Zähne in einem regelmäßigen Abstand angeordnet sind. Jedes mal, wenn ein Zahn detektiert wird, wird ein elektrischer Impuls erzeugt, der an eine Steuereinheit zur Auswertung (Konvertierung in einen Winkel) weitergegeben wird. Eine bestimmte Position (z. B. bei 0°) wird über einen Nullimpuls, (z. B. eine Lücke in dem Zahnrad) markiert. Ein solcher inkrementeller Sensor mit Nullimpuls hat einen Startwinkel bis zur Erkennung der absoluten Position von max. 360°, was für einen Betrieb der Hydromaschine als Pumpe oder als Motor ohne Anfahrfunktion völlig ausreichend ist.
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Weiter vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Hydromaschine mit einer elektronischen Informationsverarbeitung- und Steuerungseinrichtung versehen, die eine Schnittstelle zur Einspeisung von Informationen aus der Antriebsmotorsteuerung hat. Insbesondere im Fall eines Verbrennungsmotors als Antrieb für die Hydromaschine stehen Informationen bezüglich der Winkelposition der Kurbelwelle und/oder der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors von dessen elektronischen Motormanagement zur Verfügung. Ist die Relativposition der Eingangswelle der Hydromaschine zur Abtriebswelle des Antriebsmotors bekannt, kann hieraus die absolute Winkelposition der Hydromaschine berechnet werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Hydromaschine mit einem zusätzlichen analogen Absolutwinkelgeber auszustatten. Diese Art von Winkelencodern ist kostengünstig und können während des Synchronisierungsvorgangs des inkrementellen Sensors verwendet werden.
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Für diesen kurzen Betriebsmodus, insbesondere beim Anfahren der Hydromaschine als Motor, ist die Drehzahl der Welle niedrig und die dynamischen Eigenschaften des Analogsensors ausreichend, exakte Messdaten zu liefern.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer ventilgesteuerten Hydromaschine mit digital veränderbarem Schluck-/Fördervolumen (DDU);
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydromaschine mit DDU-Technologie sowie einer Winkelpositions-Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung und
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Hydromaschine mit DDU-Technologie sowie einer Winkelpositions-Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung in gegenüber der 2 abgewandelter Form.
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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 eine Winkelpositions-Erfassungseinrichtung 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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An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Winkelpositions-Erfassungseinrichtung 36 auch an einem anderen Bauteil der Hydromaschine 1 angeordnet sein kann, welches sich zusammen mit der An-/Abtriebswelle 12 dreht bzw. mit deren Drehbewegung gekoppelt ist (beispielsweise ein Drehbauteil eines nicht weiter dargestellten zwischengeschalteten Getriebes etc.).
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Die Winkelpositions-Erfassungseinrichtung 36 gemäß der 2 ist ein inkrementeller Winkeldecoder mit Nullimpuls vorzugsweise bestehend aus einem Inkrementgeberrad (d. h. einem Ringkörper mit in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig beabstandeten Erhebungen und/oder Vertiefungen entsprechend einem Zahnrad), die von einem Inkrementsensor erfasst werden. Der Nullimpuls kann einer Lücke zwischen zwei benachbarten Vertiefungen/Erhebungen oder, wie in 1 angedeutet, einem einzelnen Zahn neben dem Zahnrad entsprechen.
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Für eine Hydromaschine mit DDU-Technologie, welche im Motorbetrieb ohne einen Anfahrmodus (z. B. Starten im Motorbetrieb) eingesetzt wird, ist es grundsätzlich nicht erforderlich, die Winkelposition der An-/Abtriebswelle 12 im Stillstand zu kennen. Für diese besondere Anwendung ist es absolut ausreichend, den inkrementellen Winkelencoder mit Nullimpuls einzusetzen. Mit diesem Encoder können die dynamischen Eigenschaften der Winkelerfassung gewährleistet und die absolute Position der Welle nach max. einer Umdrehung erkannt werden. Wird auf den Anfahrmodus verzichtet, ist dieser Synchronisierungsvorgang des Winkeldecoders möglich.
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Ist die Hydromaschine 1 gemäß der 2 an eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einen Dieselmotor angekoppelt, kann zusätzlich auch auf das Signal der Winkelerfassung der Verbrennungsmaschine zurückgegriffen werden.
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In anderen Worten ausgedrückt, hat die elektronische Steuerungseinheit 34 der Hydromaschine 1 eine Schnittstelle, in die Daten bezüglich der Winkelposition der Verbrennungsmaschine eingegeben werden können, die von der dort vorhandenen „black box”, d. h. der Verbrennungsmotorsteuerung grundsätzlich bereitgestellt werden. Sofern die Ab-/Antriebswelle 12 der Hydromaschine 1 mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors direkt/indirekt gekoppelt ist, also eine vorbestimmte Relativlage zur Abtriebswelle des Verbrennungsmotors einnimmt, können aus den Winkelpositionssignalen der Verbrennungsmotorsteuerung die Winkelpositionen für die Hydromaschine 1 (auch im Stillstand) bestimmt werden.
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In der 3 ist eine Abwandlung der Hydromaschine mit DDU-Technologie 1 gemäß der 2 schematisch dargestellt, wobei nachfolgend nur noch auf die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß der 2 eingegangen werden soll.
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Aus der 3 ist zu entnehmen, dass zusätzlich zum vorstehend beschriebenen inkrementellen Winkelencoder 36 ein analoger Absolut-Winkelencoder 38 vorgesehen ist. Im Konkreten ist der analoge Absolut-Winkeldecoder 38 parallel zum inkrementellen Winkelencoder 36 auf der An-/Abtriebswelle 12 der Hydromaschine 1 oder einem mit dieser gekoppelten Bauteil angeordnet. Der analoge Absolut-Winkelencoder 38 wird dabei insbesondere im Anfahrmodus der Hydropumpe 1 als Motor eingesetzt, in welchem die Drehzahl der An-/Abtriebswelle vergleichsweise niedrig ist und der analoge Absolut-Winkelencoder 38 ausreichend präzise Messergebnisse liefert.
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Diese Art von analogen Winkelencodern ist kostengünstig und sie können während des Synchronisierungsvorgangs des inkrementellen Winkelencoders (Anfahrphase vorzugsweise mit einer Drehbewegung < 360°) verwendet werden.
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Durch die Verwendung des inkrementellen Winkelencoders 36 zur Winkelpositionsbestimmung im laufenden Betrieb sowie des zusätzlichen analogen Absolut-Winkelencoders 38 zur Winkelpositionsbestimmung im Anfahrmodus der Hydromaschine 1 als Motor können die Kosten für die gesamte Winkelpositions-Erfassungseinrichtung deutlich reduziert und trotzdem eine ausreichende Erfassungsgenauigkeit aufrecht erhalten werden.
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Weiterhin ist es möglich, eine Kombination eines bei sehr hohen Stückzahlen bewährten Verfahrens mittels Inkrementgeberrad mit Inkrementsensor und ggf. eines (kostengünstigen) analogen Absolutwinkelgebers mit geringer Genauigkeit – z. B. 6° – sowie einer einfachen elektrischen Schnittstelle mit analoger Spannung oder einer parallelen Schnittstelle mit 5 Bit oder einer Schnittstelle mit einem pulsweitenmodulierten Signal, ggf. auch einer Busschnittstelle einzusetzen.
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Gleichzeitig kann die Anzahl an Messsignalen (inkrementelle Winkelgeber benötigen weniger Leitungen) verringert werden.
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Schließlich bietet die Ausführungsform gemäß der 3 den Vorteil, dass bei der Hydromaschine 1 mit DDU-Technik und zusätzlichem analogen Absolut-Winkelencoder 38 die beiden Winkelinformationen gegeneinander plausibilisiert werden können, wodurch eine höhere Sicherheit bei der Ansteuerung der Ventile erreicht wird. Außerdem kann bei dem Ausfall eines der beiden Winkelerfassungssysteme eine Art Notlauf bei eingeschränkter Funktionalität aufrechterhalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydromaschine
- 2
- Zylindertrommel
- 4
- Zylinderbohrungen
- 6
- Kolben
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- Kolbenschuh
- 12
- An-/Abtriebswelle
- 14
- Steuerkurve
- 16
- Zulaufventil
- 18
- Zulaufleitung
- 20
- Pumpe
- 22
- Ablaufventil
- 24
- Ablaufleitung
- 26
- Tank
- 28, 30
- Magnetaktor
- 34
- Steuereinheit
- 36
- Winkelpositions-Erfassungseinrichtung
- 38
- Absolut-Winkelencoder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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]
