DE102011079691B3 - Steuerkolbenzentrierung für hydrostatische servoverstelleinrichtungen von hydraulikmaschinen - Google Patents

Abstract

Hydrostatische Verstelleinrichtung einer Hydraulikmaschine zur Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine, wobei die Verstelleinrichtung ein Steuergehäuse mit einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung und einen in zwei Richtungen durch Aktuatoren in der Bohrung längsverschieblichen Steuerkolben aufweist. Durch Verschiebung des Steuerkolbens werden mittels erster Steuerkanten Durchlässe für die Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit zu Servoleitungen und mittels zweiter Steuerkanten Durchlässe für die Ableitung von Hydraulikflüssigkeit von den Servoleitungen zu einem Niederdruckbereich gegenläufig steuert. Dabei sind Stirnseiten des Steuerkolbens mit einem Staudruck über hydraulische Leitungen beaufschlagbar, welche die Servoleitungen mit dem Niederdruckbereich verbinden. In den hydraulischen Leitungen sind Staudruckbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen, die in Nullstellung der Hydraulikmaschine den Staudruck über den Druck im Niederdruckbereich und unter den Druck in den Servoleitungen einstellen sowie den Staudruck auf einen vorbestimmten Schwellenwert begrenzen, wenn die Hydraulikmaschine in ihrem Fördervolumen verstellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verstelleinrichtung einer Hydraulikmaschine zur Verstellung des Fördervolumens und/oder der Leistung der Hydraulikmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine gattungsgemäße Verstelleinrichtung ist aus DE 10 2008 052 338 B3 bekannt. Die Erfindung betrifft hydrostatische Servoverstelleinrichtungen von Hydraulikmaschinen mit Steuerkolbenzentrierung, insbesondere hydraulische Servokolbenverstelleinrichtungen für die Verstellung des Fördervolumens von Hydraulikmaschinen mittels eines von Aktuatoren betätigbaren Steuerkolbens. Die Erfindung betrifft speziell Einrichtungen zur elektrisch proportionalen Verstellung des Fördervolumens von Axialkolbenmaschinen in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauart. Die Erfindung findet weiter Eingang in hydraulische Verstelleinrichtungen von Radialkolbenmaschinen und in Flügelradpumpen mit verstellbarem Fördervolumen.
• Elektrisch aktivierbare Proportionalverstellungen von Hydraulikmaschinen, insbesondere für Verstellpumpen und Verstellmotoren in axialer Bauart, dienen dazu, das Verdrängungsvolumen der Hydraulikeinheit proportional zu einem elektrischen Eingangssignal einzustellen. Von der Erfindung sind sowohl Proportionalverstellungen als auch nicht-proportionale Verstellungen umfasst, die elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder manuell ansteuerbar sind.
• Hydrostatische Verstelleinrichtungen für Hydraulikmaschinen, insbesondere hydrostatische Proportionalverstelleinrichtungen, steuern die Kräfte und Drücke im Servosystem der Hydraulikmaschinen, wobei die Servoverstelleinrichtungen, meist Servokolben, mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden, wodurch eine Verschiebung des Servokolbens im Servosystem bewirkt wird. Über die Verschiebung des Servokolbens im Servoverstellsystem wird weiter ein Verstellelement, bspw. eine Schrägscheibe oder eine Schrägachse einer Axialkolbenmaschine oder die exzentrische Lagerung eines Rotors einer Radialkolbenmaschine in seiner Lage zur Drehachse der Hydraulikmaschine verändert, wodurch sich das Fordervolumen der Hydraulikmaschine verändert. Analoges gilt für Axialkolbenmaschinen der Schrägachsenbauart, bei denen die Auslenkung des Zylinderblocks gegenüber der An-/Abtriebswelle eine Veränderung des Fördervolumens bewirkt.
• Im Weiteren soll die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung für eine Hydraulikmaschine anhand einer Axialkolbenmaschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauart, erläutert werden. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ist, wie oben bereits ausgeführt, jedoch nicht auf derartige Maschinen beschränkt. Grundsätzlich kann die hydrostatische Verstelleinrichtung gemäß der Erfindung bspw. auch für die Verstellung des Fördervolumens von Flügelzellenpumpen oder Radialkolbenmaschinen verwendet werden.
• Die Verstellung des Fördervolumens von Hydraulikmaschinen folgt einem Eingangssignal, welches manuell, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch auf eine Steuervorrichtung der Hydraulikmaschine aufgebracht wird. Die Steuervorrichtung der Hydraulikmaschinen steuert dann die Drücke zu einer Servoverstellung zum Einstellen des Fördervolumens der Hydraulikmaschine. So kann durch ein Eingangssignal ein Steuerkolben, der in einem als Bohrung innerhalb eines Steuergehäuses ausgebildeten Steuerzylinder verschieblich aufgenommen ist, verschoben werden, wodurch Durchlass-Querschnitte zur Druckölversorgung des Servoverstellsystems verändert werden. Durch die sich damit einstellenden unterschiedlichen Drücke in den Servoleitungen des Servoverstellsystems wird bspw. ein Servokolben in seiner Lage verändert. Über eine meist mechanische Anbindung des Servokolbens an das Verstellelement der Hydraulikmaschine wird, bspw. die Schrägscheibe, die Schrägachse oder die Rotorlagerung auslenkt und die Hydraulikmaschine in ihrem Fördervolumen verstellt.
• Das Eingangssignal für die Steuervorrichtung wird vielfach über elektrische Aktuatoren, welche bspw. elektrische Proportionalmagnete aufweisen, auf den Steuerkolben aufgebracht. In der Regel folgt die Drucksteuerung in den Servoleitungen der Höhe des elektrischen Signals proportional, d. h. der Magnetkraft auf den Steuerkolben. Ein solches Eingangssignal kann aber ohne Weiteres auch hydraulisch, mechanisch oder manuell auf den Steuerkolben aufgebracht werden. Für die einfachere Darstellung des erfindungsgemäßen Gegenstandes wird hier von einer elektrischen Erzeugung des Eingangssignales mittels elektrischer Aktuatoren ausgegangen. Jedoch ist auch eine nicht-proportionale Drucksteuerung in den Servoleitungen vom Erfindungsgedanken umfasst.
• Aus dem oben Erläuterten wird deutlich, dass die hydraulische Verstellung des Servosystems der elektrisch bewirkten Kraft zur Verschiebung des Steuerkolbens folgt, wodurch mit steigendem elektrischen Signal infolge der Auslenkung des Steuerkolbens Querschnitte für den Zufluss und Abfluss von Hydraulikflüssigkeit zu oder von einem Servokolben vergrößert bzw. verkleinert werden, und wodurch der Servokolben in seiner Lage in Funktion der Betätigung des Steuerkolbens verschoben wird. Gleichzeitig mit einer Durchlasserhöhung für eine der Servoleitungen wird der Durchlassquerschnitt für die andere Servoleitung für die Ableitung von Hydraulikflüssigkeit bspw. zu einem Tank oder einem anderen Niederdruckbereich vergrößert und umgekehrt.
• In der Regel ist der Steuerkolben zylindrisch ausgebildet und in einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung im Steuergehäuse aufgenommen. Der Steuerkolben lässt sich längs seiner Rotationsachse in beide Richtungen verschieben, so dass eine Veränderung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine in beide Richtungen möglich ist. Hierfür ist der Steuerkolben geeigneterweise einstückig und symmetrisch ausgebildet. Zum Öffnen und Schließen von Querschnitten zur Servoölzuführung bzw. zur Servoölableitung weist der Steuerkolben Nuten auf, welche Steuerkanten ausbilden, die mit Steuerkanten von Nuten korrespondieren, die im Steuerzylinder des Steuergehäuses ausgebildet sind. Der Durchmesser des Steuerkolbens entspricht dabei dem Durchmesser des Steuerzylinders, d. h. die Durchmesser der Steuerkanten am Steuerkolben und im Steuerzylinder sind im Idealfall gleich groß.
• Soll eine Zu- bzw. Ableitung mittels des Steuerkolbens verschlossen werden, so muss sich die entsprechende Nut des Steuerkolbens außerhalb des Bereichs der korrespondierenden Nut des Steuerzylinders befinden. Auch muss sich dabei die entsprechende Steuerkante des Steuerkolbens außerhalb der korrespondierenden Nut des Steuerzylinders befinden und die entsprechende Steuerkante des Steuerzylinders außerhalb der korrespondierenden Nut im Steuerkolben. Ist kein geöffneter Querschnitt, bzw. kein Durchlass freigegeben, ist ein Fluss an Hydraulikflüssigkeit entlang des Steuerkolbens unterbunden. Soll hingegen eine Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit entlang des Steuerkolbens zum Servokolben oder eine Ableitung vom Servokolben zu einem Bereich mit niedrigem Druck geöffnet werden, so überschneiden sich die jeweiligen Nuten im Steuerzylinder und im Steuerkolben, so dass ein Durchfluss durch die sich überschneidenden Nuten möglich ist. Daraus ist ersichtlich, dass den jeweiligen Steuerkanten des Steuerkolbens und des Steuerzylinders eine große Bedeutung zukommt, da diese für das Öffnen bzw. das Schließen von Hydraulikflüssigkeitsversorgungsleitungen maßgeblich sind.
• Überdeckt eine Steuerkante und der dazu gehörige Vorsprung des Steuerkolbens eine Nut im Steuerzylinder, so spricht man von positiver Steuerkantenüberdeckung, und es kommt kein Hydraulikflüssigkeitsfluss zustande. Dementsprechend spricht man von negativer Steuerkantenüberdeckung, wenn die entsprechende Steuerkante am Steuerkolben die Nut im Steuerzylinder nicht (vollständig) verschließt und daher ein (geringer) Hydraulikflüssigkeitsfluss stattfindet.
• Speziell in der Ausgangslage des Steuerkolbens, welche auch als Neutralstellung bezeichnet wird, kommt der positiven bzw. negativen Steuerkantenüberdeckung eine besondere Bedeutung zu. Weist der Steuerkolben in seiner Neutralstellung eine positive Steuerkantenüberdeckungen auf, so reagiert das Steuersystem auf ein Eingangssignal mit einer gewissen Verzögerung, welche dadurch bedingt ist, dass zumindest eine Steuerkante aus ihrer positiven Überdeckung – man spricht hier auch von Totband – soweit verschoben werden muss, bis eine negative Überdeckungen erreicht ist und Hydraulikflüssigkeit fließen kann. Bei positiver Steuerkantenüberdeckung sind die Drücke in den Servoleitungen, welche zum Servosystem führen, konstant und können nicht ausgeglichen werden, solange eine positive Steuerkantenüberdeckung vorliegt. Somit kann auf eine geringe Änderung eines Positionsrückführsignals auf den Steuerkolben, welches vom mechanischen Verstellelement (Schrägscheibe, Schrägachse, Rotorlagerung, etc.) über ein Positionsrückführsystem an den Steuerkolben weitergeleitet wird, innerhalb des Totbandes nicht reagiert werden. Das bedeutet auch, dass das mechanische Verstellelement solange (oszillierende) Bewegungen ausführen kann, bis das über des Positionsrückführsystem weitergeleitete Signal den Steuerkolben soweit auslenkt, dass es zu einer negativen Steuerkantenüberdeckung kommt.
• Steht ein mit einem hydrostatischen Antrieb ausgestattetes Fahrzeug still, so steht auch die für den Antrieb vorgesehene Hydraulikmaschine, und das Fördervolumen ist Null. Die Hydraulikmaschine befindet sich in ihrer Nulllage. Ein Fördervolumen kann nur auftreten, wenn das mechanische Verstellelement (Schrägscheibe, Schrägachse, Rotorlagerung, etc.) aus seiner Nulllage ausgelenkt wird. Wird das mechanische Verstellelement aufgrund von Störgrößen, bspw. im Bereich seiner Spielfreiheit, aus seiner Nulllage ausgelenkt, so wird diese Auslenkung über das Positionsrückführsystem auf den Steuerkolben übertragen, der dann ebenfalls verschoben wird. Ist die Verschiebung des Steuerkolbens jedoch im Bereich eines Totbandes (positive Steuerkantenüberdeckung) und erreicht die Steuerkante des Steuerkolbens nicht die korrespondierende Steuerkante des Steuerzylinders, kann das Steuersystem nicht korrigierend eingreifen.
• Eine äußere Belastung auf eine Hydraulikmaschine ist einer von vielen vorstellbaren Belastungsfällen, die eine nicht beabsichtigte Auslenkung des mechanischen Verstellelementes einer Hydraulikmaschine zu Folge haben können. Stellt der Maschinenbediener den Steuerhebel jedoch auf Neutral-Position, so erwartet er, dass der hydraulische Antrieb im Ruhezustand ist und nicht durch externe Belastungen in Bewegung versetzt wird. Bei positiver Steuerkantenüberdeckung kann aber innerhalb des Totbandes nicht gezielt auf die Hydraulikmaschine zugegriffen werden, wodurch in der Praxis oft eine negative Steuerkantenüberdeckung gewählt wird. Bei der negativen Steuerkantenüberdeckung sind in der Neutrallage des Steuerkolbens die Zuleitungen und Ableitungen von Hydraulikflüssigkeit zu und von den Servokolben leicht geöffnet, womit ein Totband vermieden wird. Das hat den Vorteil, dass jede Verschiebung des Steuerkolbens sofort eine Druckänderung im hydrostatischen Servoverstellsystem bewirkt und so die Verstellung der Hydraulikmaschine schneller auf Steuerbefehle reagiert. Der hydraulische Antrieb lässt sich genauer und agiler steuern.
• Ein mit negativer Steuerkantenüberdeckung ausgeführtes Steuersystem reagiert schnell, sensibel und empfindlich gegenüber Bewegungen des Steuerkolbens und setzt diese als Druckänderungen in den Druckölleitungen des Servoverstellsystems um. Eine negative Steuerkantenüberdeckung, welche für die schnelle Verstellbarkeit der Hydraulikmaschine vorteilhaft ist, birgt aber in der Neutrallage des Steuerkolbens das Problem, dass diese Neutrallage des Steuerkolbens sehr exakt eingehalten werden muss, will man die Servoleitungen druckausgeglichen halten. Mit anderen Worten: wird der Steuerkolben z. B. durch äußere Einflüsse, aus der Neutrallage geringfügig verschoben, kommt es zu Querschnittsveränderungen in den Durchlässen für die Zu- und Ableitung von Hydraulikflüssigkeit zu und von den Servoleitungen und so zu einer öldruckbedingten Verstellung der Servoverstelleinrichtung und des damit verbundenen mechanischen Verstellelements und somit des Fördervolumens der Hydraulikmaschine. Genau dies will man in der Neutralstellung des Steuerkolbens vermeiden.
• Einen weiteren Einfluss auf die Neutrallage des Steuerkolbens, in der das Fördervolumen der Hydraulikmaschine Null sein soll, haben die Herstelltoleranzen des Steuersystems. So sind die Steuerkanten des Steuerzylinders und die des Steuerkolbens, d. h. die Nuten im Steuerzylinder und im Steuerkolben, herstellungsbedingt toleranzbehaftet. Dadurch ist die Neutrallage des Steuerkolbens meist nicht die geometrische Mittellage des Steuerkolbens im Steuerzylinder. In der Neutrallage sind die jeweiligen Zuleitungen und Ableitungen zum Servosystem druck- bzw. volumenstrom-ausgeglichen, d. h. gleich weit geöffnet bzw. gleich weit geschlossen. Beim Zusammenbau des Steuersystems muss der Steuerkolben im Steuerzylinder in seiner hydraulischen Neutrallage justiert werden. Dies ist für das Erreichen einer stabilen Null-Lage der Hydraulikmaschine wichtig. Die Einstellung der Neutrallage des Servokolbens ist jedoch, wegen der hohen Empfindlichkeit eines Systems mit negativer Steuerkantenüberdeckung, sehr sensibel und kann in manchen Fällen auf Grund der Herstelltoleranzen des Steuerkolbens und der Herstelltoleranzen des Steuerzylinders einen hohen Justieraufwand bedeuten. Damit einhergehend ist die Forderung nach sehr geringen Herstelltoleranzen für Steuerkolben und Steuerzylinder, was die Teilekosten für diese beiden Bauteile stark anhebt.
• Selbstredend fällt der Justieraufwand des Steuersystems bei Austausch oder bei Wartungsarbeiten am Steuersystem erneut an und hebt so die hierfür anfallenden Kosten.
• Zur Einhaltung der Null-Lage der Hydraulikmaschine werden im Stand der Technik üblicherweise Federn verwendet, die den Servokolben vorgespannt in der Neutrallage/Zentrallage halten sollen. In DE 10 2008 052 338 B3 , von der als nächstkommender Stand der Technik ausgegangen wird, wird vorgeschlagen, den in den Servoleitungen herrschenden hydraulischen Druck Ober hydraulische Bypass-Leitungen auf die jeweils zugehörige Stirnfläche des Steuerkolbens zu leiten, wodurch der Steuerkolben (zusätzlich) durch hydraulische Kräfte in seiner Neutralstellung zentriert wird.
• Wird der Steuerkolben ausgelenkt, so wird der Durchlass für die Druckölversorgung des Servoverstellsystems auf einer Seite des Steuerkolbens vergrößert und gleichzeitig auf der anderen Seite des Steuerkolbens verkleinert. Umgekehrt verhält es sich für die Durchlässe für die Hydraulikölableitungen. Auf der Seite, auf der der Zufluss zum Servosystem vergrößert wird, wird der Abfluss vom Servosystem verringert. Entsprechend umgekehrt wird auf der anderen Seite der Zufluss von Hydrauliköl zum Servoverstellsystem verringert, wobei der Abfluss auf dieser Seite des Steuerkolbens erhöht wird.
• Mit der Vergrößerung des Durchlasses für die Druckölversorgung auf der einen Seite des Steuerkolbens und der Vergrößerung des Durchlasses für die Ableitung von Hydrauliköl auf der anderen Seite des Steuerkolbens wurde gleichzeitig durch den spiegelsymetrischen Aufbau des Steuersystems und durch die gegenläufige Steuerung der Durchlassquerschnitte der Durchlass für die Ableitung von Hydraulikflüssigkeit und der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit mit Speisedruck auf der jeweils anderen Seite verringert, d. h. auf jeder Seite des Steuerkolbens hat sowohl eine Durchlassvergrößerung als auch eine Durchlassverkleinerung stattgefunden. Dabei hat die Durchlassvergrößerung für die Zuleitung von Hydraulikfluid mit Speisedruck eine Druckerhöhung auf die zugehörige Stirnseite des Steuerkolbens zur Folge. Die Druckerhöhung auf die zugehörige Stirnseite erzeugt eine Erhöhung der Rückstellkraft in Richtung Neutrallage und bewirkt somit eine der Verstellung/Verschiebung des Steuerkolbens entgegenwirkende Kraft. Diese Kraft steigt mit Zunahme der Auslenkung an, da der Druck in der Bypassleitung mit größer werdendem Durchlassquerschnitt für die Druckölzuführung zunimmt.
• Wird in Neutralstellung des Servokolbens die Servoverstellung der Hydraulikmaschine, bspw. durch äußere Einflüsse, verstellt, – was im Bereich des Toleranzspiels der beteiligten Bauteile der Rückführkette für den Steuerkolben über Verstellelement, Positionsrückführeinrichtung und Übertragung auf Steuerkolben erfolgen kann – bewirkt der auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirkende, ggf. gedrosselte Hydraulikdruck eine rückstellende hydraulisch zentrierende Kraft. Damit kann das Steuersystem hydraulisch zentrierend selbsttätig in der Neutrallage gehalten werden und Druckschwankungen in den Servoleitungen schnell ausgleichen, da eine zur jeweiligen Druckerhöhung entgegengerichtete hydraulische Kraft erzeugt wird. Dadurch wird das Steuersystem mit negativer Steuerkantenüberdeckung zum einen unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen, und zum anderen lässt sich die Neutrallage des Steuerkolbens einfacher justieren. Das Steuersystem ist aber weiterhin für zielgerichtete Auslenkungen des Steuerkolbens, welche eine Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine zur Folge haben, agil und sensibel.
• Bei einem nicht angelegten Eingangssignal, d. h. die Hydraulikmaschine soll kein Fördervolumen zeigen, kann die Neutrallage des Steuerkolbens somit gut eingehalten werden. Gleichzeitig kann mit dem System gemäß DE 10 2008 052 338 B3 auch eine Ausfallsicherheit bspw. bei Bruch einer Positionsrückstellfeder im Positionsrückführsystem für den Stell- bzw. Steuerkolben erreicht werden. Bei steigendem Druck in einer der Servoleitungen steigt die Rückstellkraft auf derselben Seite des Steuerkolbens und der Steuerkolben wird über die hydraulische Kraft auf die Stirnseite in seine Neutrallage zurückgeschoben bzw. in dieser gehalten.
• Diese Art von Neutrallagenjustierung bzw. Neutrallagenstabilisierung hat jedoch den Nachteil, dass sie lastabhängig und von der Viskosität des verwendeten Hydraulikfluides bzw. von der Temperatur dieses Fluides abhängig ist. Gleichzeitig steigt, wie oben schon angedeutet, mit steigender zielgerichteter Auslenkung des Steuerkolbens, also bei gewolltem Verändern des Fördervolumens in Richtung Vollausschlag, die hydraulische Rückstellkraft auf die Stirnseite des Steuerkolbens, womit die Kraft für ein weiteres Auslenken des Steuerkolbens steigt. Mit Annäherung an die vollausgelenkte Stellung wird die Rückstellkraft somit immer größer. Dies bedingt zunehmende Kräfte am Steuerhebel bzw. erhöhten Strom auf elektrisch betätigte Proportionalmagnete, die die Auslenkung des Steuerkolbens bewirken.
• Ferner ist die hydraulische Zentrierung des Steuerkolbens gemäß DE 10 2008 052 338 B3 lastabhängig, was zu ungewollten Betriebsverhalten der Hydraulikmaschine führen kann. Steigt oder sinkt die äußere Last auf eine Hydraulikmaschine, d. h. steigt oder fällt der Druck in einer der Servodruckleitungen aufgrund einer Veränderung der äußeren Betriebsbedingungen, so steigt oder sinkt die hydraulische Zentrierkraft. In der Regel verändert sich mit Änderung des Betriebsdruckes, der Drehzahl oder auch dem Schwenkwinkel der notwendige Druck in den Servoleitungen zur Aufrechterhaltung einer Parameterkombination aufweisend Betriebsdruck, Drehzahl und Schwenkwinkel, womit sich auch die hydraulische Zentrierkraft verändert.
• Folglich, wird ein Fahrzeug, das auf einer Ebene mit konstanter Geschwindigkeit fährt, bei gleichbleibender Verstellkraft auf den Steuerkolben, bei Bergauffahrt langsamer, da eine erforderliche Zunahme des Drucks in der entsprechenden Servoleitung zum Ausgleichen der Änderung der äußeren Bedingungen durch den Anstieg der hydraulischen Zentrierkraft auf den Steuerkolben verhindert wird. Infolgedessen müsste bspw. der Strom auf die Proportionalmagnete erhöht werden, damit sich ein Druck in der Servoleitung einstellen kann, mit dem die Geschwindigkeit auch bei leichter Bergauffahrt konstant gehalten werden kann. Umgekehrt würde ein Fahrzeug, das aus der Ebene mit konstanter Geschwindigkeit kommend, einen Hang hinab fährt, schneller werden, da sich die hydraulischen Zentrierkräfte auf den Steuerkolben verringern und so die Kräfte der Proportionalverstellung, die auf den Steuerkolben wirken, stärker zum Tragen kommen. Der Steuerkolben wird weiter ausgelenkt, wodurch eine Druckerhöhung in der entsprechenden Servoölleitung stattfindet, da der korrespondierende Durchlass für die Druckölzuführung vergrößert wird, bzw. die Ableitung von Hydrauliköl in der anderen Servoölleitung ebenfalls vergrößert wird.
• Zusätzlich hängen die Kräfte für die Zentrierung des Steuerkolbens von der Viskosität des eingesetzten Hydraulikfluids ab, wobei Viskositätsschwankungen die Betätigungskräfte aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Hydraulikfluids während des Betriebes der Hydraulikmaschine zusätzlich beeinflussen und so die Steuerung der Hydraulikmaschine verkomplizieren.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydrostatische Verstelleinrichtung für eine Hydraulikmaschine zur Verfügung zu stellen, welche über eine hydraulische Justierung der Neutralstellung des Steuerkolbens verfügt, die nicht viskositäts- und/oder temperaturabhängig und insbesondere nicht lastabhängig ist. Gleichzeitig soll eine hydrostatische Verstelleinrichtung mit Steuerkolbenzentrierung für eine Servoverstellung einer Hydraulikmaschine zur Verfügung gestellt werden, bei der die Rückstellkräfte auf den Steuerkolben bei zielgerichteter Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine aus deren Nulllage hin zu einem Förderstrom nicht mit zunehmender Auslenkung des Steuerkolbens ansteigen. Zudem soll die hydrostatische Verstelleinrichtung in ihrem Aufbau einfach, zuverlässig und robust sein und eine einfache Steuerbarkeit gewährleisten. Aufgabe der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ist es, insbesondere einen Steuerkolben mit negativer Steuerkanten-Überdeckung in der Nullstellung der Hydraulikmaschine, in der die Hydraulikmaschine kein Fördervolumen aufweist, zuverlässig in der Neutrallage bzgl. der Steuerdurchlässe zu halten, um damit ausgeglichene Drücke in den Servoleitungen zu gewährleisten. Im Falle einer zielgerichteten Verstellung der Hydraulikmaschine aus der Nullstellung soll der Steuerkolben in der hydrostatischen Verstelleinheit nicht mit ansteigenden Rückstellkräften beaufschlagt werden, sondern die auf den Steuerkolben aufgrund des hydrostatischen Zentrierungssystems wirkende Kraft soll nicht mit steigendem Druck in einer der Servoleitungen ansteigen. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine hydrostatische Verstelleinrichtung für eine Hydraulikmaschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Einstellung der Leistung bzw. des Hubvolumens der Hydraulikmaschine weitestgehend unabhängig ist von den hydraulischen Zentrierkräften auf den Steuerkolben.
• Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer hydrostatischen Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen werden in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
• Zur Lösung der Aufgabe stellt die erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Steuergehäuse mit einem in einer im Wesentlichen zylindrischer Bohrung längsverschieblichen Steuerkolben bereit, der durch Verschiebung Zu- und Ableitungen zu den Servoleitungen öffnet oder schließt bzw. vergrößert oder verkleinert. Die Servoleitungen werden dabei über den Steuerkolben mit Druckfluid unter Speisedruck bspw. von einer Speisepumpe versorgt, bzw. über den Steuerkolben wird Hydraulikfluid zu einem Niederdruckbereich abgeleitet. Die Servoleitungen sind weiter über eine Bypassleitung mit dem Niederdruckbereich verbunden, wobei je eine Stirnseite des Steuerkolbens mit einer Bypassleitung verbunden ist, so dass der in den Servodruckleitungen herrschende Druck als Rückstellkraft auf jeweils eine der Stirnseiten des Steuerkolbens wirken kann. Dabei wird man den Druck in den Servoleitungen bevorzugt gedrosselt in die Bypassleitungen einspeisen, damit die Kräfte auf die Stirnseiten des Steuerkolbens nicht unnötig hoch sind.
• Damit der Staudruck, der auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirkt, nicht zu hoch wird, und da zudem die Neutrallagen-Rückstellkräfte last-, viskositäts- und temperaturunabhängig sein sollen, sind erfindungsgemäß Staudruckbegrenzungen dergestalt vorgesehen, dass sie die in den Bypassleitungen herrschenden Staudrücke in ihrer Höhe regeln. Die Staudruckregelvorrichtungen sind dabei so vorgesehen, dass sie den Staudruck auf den Stirnseiten des Steuerkolbens zumindest über dem Druckniveau des Niederdruckbereiches halten. Im Fall einer zielgerichteten Verstellung des Steuerkolbens (= zielgerichtete Druckerhöhung in einer Servoleitung) zum Erreichen einer Fördervolumen- und/oder Leistungsverstellung der Hydraulikmaschine bspw. aus deren Nullstellung heraus zum Erzielen eines Fördervolumens ungleich Null, wird der in den Bypassleitungen herrschende Druck auf einen maximalen Wert begrenzt, der einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt. Damit wird sowohl eine Mindestdruck- als auch eine Maximaldruckbegrenzung realisiert.
• Mit der erfindungsgemäßen Druckbegrenzung in der Bypassleitung, welche auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirkt, wird somit erreicht, dass die Rückstellkräfte auf den Steuerkolben aufgrund des Öldrucks in der Bypassleitung lastunabhängig sowie viskositäts- und temperaturunabhängig sind. Gleichzeitig wird mit der erfindungsgemäßen Druckbegrenzung in der Bypassleitung erreicht, dass die Kräfte zum zielgerichteten Auslenken des Steuerkolbens und damit zur Verstellung des Fördervolumens/Leistung der Hydraulikmaschine auf einem konstanten Niveau gehalten werden und nicht vom Grad der Auslenkung des Servokolbens oder der Lastaufnahme der Hydraulikmaschine abhängig sind, und auch nicht vom Grad der Verschiebung des Steuerkolbens abhängen.
• Muss eine Hydraulikmaschine mit Fördervolumen ungleich Null, d. h. mit einer Leistung ungleich Null, in ihrer Leistung, die dem Produkt aus Fördervolumen mal Druck entspricht, verstellt werden, – weil bspw. das Fahrzeug, in dem die Hydraulikmaschine aufgenommen ist, von einer Horizontalfahrt in eine Bergfahrt wechselt – so wird durch die erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleinrichtung mit Staudruckbegrenzung der in der hydraulischen Bypassleitung herrschende Druck und somit die hydrostatische Zentrierkraft auf den Steuerkolben begrenzt, wodurch eine lastunabhängige Verstellbarkeit der Leistung der Hydraulikmaschine erreicht wird.
• Durch die erfindungsgemäße Begrenzung der hydraulischen Steuerkolbenrückstellkraft kommt es bei zunehmender Leistungsanforderung an die Hydraulikmaschine nicht zu einem hydraulisch bewirkten Servodruckrückgang aufgrund steigender hydraulischer Zentrierkräfte auf den Steuerkolben. Die erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleinrichtung arbeitet nahezu lastunabhängig. Im Betrieb einer Hydraulikmaschine mit erfindungsgemäßer hydrostatischer Verstelleinrichtung kann die Leistungsanpassung der Hydraulikmaschine sowohl durch die Verstellung des Fördervolumens als auch durch Verstellung des Arbeitsdruckes der Hydraulikmaschine erreicht werden, ohne dass die hydraulische Rückstellkraft auf die entsprechende Stirnseite des Steuerkolbens die Stellung des Steuerkolbens in Steuerzylinder lastabhängig beeinflusst. Die hydraulische Rückstellkraft auf den Steuerkolben ist unabhängig von der Lage des Steuerkolbens im Steuerzylinder und bleibt – außer in der Neutralstellung, d. h. in der Nulllage der Hydraulikmaschine, in der die Hydraulikmaschine kein Fördervolumen und somit keine Leistung zeigt – konstant oder nahezu konstant und ist nicht vom Druck in den Servoleitungen abhängig.
• Gegenüber der in DE 10 2008 052 338 B3 gezeigten Verstelleinrichtung wird also erfindungsgemäß erreicht, dass die Verstelleinrichtung die Neutrallage des Steuerkolbens in der Nulllage der Hydraulikmaschine über den aufgestauten Hydraulikdruck selbsttätig einstellt und gleichzeitig die Verstellkräfte zum Auslenken der Hydraulikmaschine aus der Nulllage gering bleiben. Speziell Letzteres vermeidet große und starke Antriebe zur Verstellung des Steuerkolbens und lässt eine feinfühlige und leichtgängige Verstellung des Steuerkolbens zu.
• Gleichzeitig behält die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung die Neutrallagen-Sicherheit bei Ausfall einer Rückholfeder des Positionsrückführsystems für den Steuerkolben bei, so dass bei Ausfall einer solchen Rückholfeder der Steuerkolben in eine Stellung verbracht wird, in der die Hydraulikmaschine oder das Fahrzeug, in dem diese eingebaut ist, keinen Schaden nehmen.
• Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung kann nicht nur bei Steuereinheiten eingesetzt werden, welche im Notfall, bspw. bei Beschädigung des Rückführsystems, in die Neutrallage gebracht werden müssen, sondern kann auch Systeme unterstützen, bei denen der Steuerkolben, bspw. bei Ausfall der Stromversorgung, beabsichtigt in eine vollausgelenkte Stellung verbracht werden soll. Dies ist u. a. bei Gebläseantrieben für die Motorkühlung der Fall, bei der die Kühlung bei Ausfall der Stromversorgung weiterlaufen soll. Hierbei wird üblicherweise der Steuerkolben in eine vollausgelenkte Stellung verbracht. Allerdings muss im Normalbetrieb des Gebläses der Stillstand des Gebläses möglich sein, bei der der Steuerkolben in der hydraulischen Neutrallage ist. Hier wirkt die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung vereinfachend für das Erreichen der Neutrallage. Für das Erreichen der Neutrallage des Steuerkolbens müssen in diesem Fall die hierfür notwendigen Kräfte über das Eingangssignal bereitgestellt werden. Hierbei wirkt das erfindungsgemäße Verstellsystem vereinfachend, da auch hier die zuvor angesprochene hydraulische Ausgleichswirkung durch die Druckbeaufschlagung der Stirnseite(n) des Steuerkolbens durch den Druck in den (beiden) Bypassleitungen das Erreichen der Neutrallage unterstützt. Das heißt, das für das Erreichen der Neutrallage erforderliche Eingangssignal kann mit geringerer Genauigkeit auf den Steuerkolben aufgebracht werden, damit dieser in die Neutrallage verbracht wird. In einem solchen System muss bspw. der elektrische Proportionalmagnet, welcher bei diesen Systemen üblicherweise nur einseitig am Steuerkolben angeordnet ist, nur einen derart genauen Kraftwert aufbringen, die den Steuerkolben an die Neutrallage annähert. Das hydraulische Ausgleichssystem unterstützt/übernimmt innerhalb gewisser Grenzen die Zentrierung/Justierung des Steuerkolbens in die Neutrallage. Zudem vermeidet das hydraulische Zentriersystem die Auslenkung des Steuerkolbens aufgrund von äußeren Einflüssen auf den hydraulischen Gebläseantrieb im Normalbetrieb.
• Mit der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinrichtung mit Staudruckbegrenzung und Stellkraftbegrenzung des Steuerkolbens wird weiterhin erreicht, dass kleine Druckschwankungen im Servoverstellsystem, die zu einer Verstellung des Servokolbens führen können, und die eine Gegenkraft auf jener Steuerkolbenseite hervorrufen, auf der der Durchlass für Druckölzurückführung erhöht ist. Dies hat zur Folge, dass beispielweise eine mechanische Justierung der Ausgangstellung bei der Inbetriebnahme der hydraulischen Maschine oder bei Austausch der Steuerkolben leichter vornehmbar ist, da die Steuervorrichtung auf diese Justierbewegungen nicht so sensibel reagiert, wie beispielweise eine Hydraulikmaschine ohne hydraulische Null-Lagen-Justierung des Streuerkolbens. Somit ergibt sich ein weiterer positiver Effekt dahingehend, dass die Hydraulikmaschine in ihrer Null-Lage, in der sie kein Fördervolumen aufweist und somit auch keine Leistung zeigt, leichter und schneller justiert werden kann, da sie von den hydraulischen Kräften, die auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirken, selbsttätig justiert wird.
• Weiter bevorzugt können mit dem erfindungsgemäßen System Leckagen, die beispielsweise im Servosystem, insbesondere zwischen Servozylinder und Servokolben auftreten, ausgeglichen werden, da der Steuerkolben in der hydraulischen Neutrallage ausgerichtet bleibt, in der die zuströmenden Hydraulikflüssigkeitsströme auf beiden Seiten des Servosystems gleich hoch sind. Druckschwankungen in einer der beiden Servoleitungen können bis zu einem vorbestimmten Schwellwert kompensiert werden. Diese Kompensation findet durch Aufbau von Gegendruck auf die Stirnseite des Steuerkolbens statt, auf dessen Seite sich der Servodruck erhöht. Somit wirkt der Staudruck der Verstellung des Steuerkolbens entgegen und versucht, den Steuerkolben wieder in seine hydraulische Neutrallage zurückzubewegen.
• Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung einer Hydraulikmaschine kann in Systemen mit einem offenen oder einem geschlossenen Hydraulik-Kreislauf eingesetzt werden. Dabei ist bspw. ein Tank in einem offenen Kreislauf ein Bereich mit niedrigem Druck, in den die Hydraulikflüssigkeit abgeleitet wird und von dem die Speisepumpe Öl in die Zuleitungen zum Steuersystem pumpt. In einem geschlossenen Kreislauf wird man üblicherweise die Hydraulikflüssigkeit auf Gehäusedruckniveau entspannen, wobei die Speisepumpe für die Bereitstellung von Servodruck Öl aus dem Gehäuse ansaugt. Es sind jedoch alle weiteren für den Fachmann üblichen Systeme der Versorgung/Entsorgung von Hydraulikflüssigkeit aus den Servodruckleitungen von der Erfindung mitumfasst.
• Weiterhin sind von der Erfindung hydraulische Verstelleinrichtungen mit Staudruckregelvorrichtungen umfasst, die den Staudruck in den hydraulischen Bypass-Leitungen unter einen vorbestimmbaren Schwellenwert halten. Die Begrenzung des auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirkenden Staudrucks in den Bypassleitungen, wird dadurch erreicht, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Schwellenwerts der Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus der entsprechend mit hohem Druck belasteten Bypass-Leitung größer wird, oder eine Staudruckzunahme unterbunden wird. Sowohl der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit zu den Stirnseiten des Steuerkolbens als auch der Abfluss von Hydraulikflüssigkeit aus den Bypass-Leitungen kann dabei staudruckabhängig erfolgen. D. h., dass entweder mit steigendem Staudruck der Zufluss immer weiter verringert wird oder der Abfluss immer werter vergrößert wird. Somit ist sowohl eine konkrete absolute Staudruckbegrenzung in den Bypass-Leitungen von der Erfindung umfasst, als auch eine einstellbare oder staudruckabhängige Druckbegrenzung.
• Wie oben bereits ausgeführt wird der Staudruck in den hydraulischen Bypassleitungen, der auf die Stirnflächen des Steuerkolbens wirkt, bevorzugt gedrosselt von den Servodruckleitungen abgezweigt und weiter zu dem Bereich mit niederem Druck geleitet. Dieser Staudruck kann in einer weiteren Ausführungsform, bevor er zum Bereich mit niederem Druck entspannt wird, durch eine weitere Drossel aufgestaut werden. Der Druck im Niederdruckbereich kann als Referenzdruck für die Staudruckbegrenzung verwendet werden. Eine derartige Staudruckbegrenzung kann bspw. mit im Steuerkolben innenliegenden koaxialverschieblichen Druckbegrenzungskolben ausgeführt werden. Solche koaxial im Steuerkolben innenliegenden Kolben können bei Drücken in der Bypass-Leitungen unterhalb eines vorgebbaren Schwellendrucks mittels einer Feder in einer offenen Stellung gehalten werden, bei der Staudruck auf die entsprechende Stirnseite des Steuerkolbens geleitet werden kann. Steigt der Druck in der Bypass-Leitung, so verschiebt sich der innenliegende Druckbegrenzungskolben und verringert den Durchfluss durch die Bypass-Leitung, womit der Staudruck in der Bypass-Leitung einen bestimmten Wert nicht übersteigen kann. Mit Reduzierung des Durchlass/Drucks in der Bypass-Leitung wirkt auf die entsprechende Stirnfläche des Steuerkolbens kein unnötig hoher Druck, bzw. der Staudruck in der Bypass-Leitung steigt nicht mit zunehmendem Druck in der zugehörigen Servoleitung. D. h. weiter, der Staudruck ist nicht vom Druck in der Servoleitung abhängig, da der Durchlass durch die Bypass-Leitung bzw. der Druck in der Bypass-Leitung unabhängig vom Druck in der Servoleitung reguliert wird.
• Den Schwellenwert für das Einsetzen der Begrenzung des Staudrucks in der Bypass-Leitung wird man bevorzugt so wählen, dass die durch die äußeren Belastungen auf die Hydraulikmaschine und die damit verursachten Druckschwankungen in den Servoleitungen unterhalb des Schwellenwerts für eine gezielte und gewollte Verstellung der Hydraulikmaschine bleiben. Damit ist gleichzeitig eine minimale Kraft vorgegeben, die bei der Verstellung des Steuerkolbens bei einer gewünschten Auslenkung der Hydraulikmaschine überwunden werden muss, damit die Hydraulikmaschine bspw. ein Fördervolumen zeigt. Diese minimale Kraft wird meist durch die Servokolbenfedern vorgegeben, die den Servokolben in der Nullstellung halten/zentrieren.
• Bevorzugt wird man die Druckregulierung in der Bypass-Leitung so auslegen, dass diese dann anspricht, wenn der Druck in einer der Servoleitung so weit angestiegen ist, dass dieser Druck ausreicht den Servokolben gegen die Vorspannung der Servokolbenfedern auszulenken. Unterhalb dieses Druckniveaus regiert die hydraulische Zentrierung des Steuerkolbens direkt auf Druckschwankungen in der Servoleitungen. Bei Überschreiten eines zur Verschiebung des Servokolbens ausreichenden Drucks wird die Druckbegrenzung in der zugehörige Bypassleitung aktiviert und verhindert eine übermäßige Zunahme der hydraulischen Steuerkolbenrückstellkraft.
• In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, den Druck, der auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirkt, beim Auslösen der Druckbegrenzung auf den Druck im Bereich mit niederem Druck zu entspannen, womit die Auslenkkräfte für den Steuerkolben nach Überschreiten des Schwellenwertes abnehmen, bzw. auf einen konstanten Niveau verharren, bspw. dem Druckniveau im Bereich des niedrigeren Drucks entsprechen.
• Durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Staudrucks in den Bypass-Leitungen und mit der Entspannung des Staudrucks auf z. B. das Druckniveau des Bereiches mit niedrigerem Druck nach dem Auslösen der Staudruckbegrenzung wird die Belastung auf die Positions-Rückführeinrichtung des Steuerkolbens, welche meist elasto-mechanisch mit dem Verstellelement der Hydraulikmaschine verbunden ist, reduziert. Dies bedeutet, die Rückführeinrichtung muss nicht gegen Kräfte arbeiten, die aus dem erhöhten Staudruck resultieren, sondern kann den bspw. lediglich mit Gehäuse- oder Tankdruck beaufschlagten Steuerkolben in seine Null-Lage zurückbewegen. Die Steuerkolbenrückführvorrichtung braucht dabei den Steuerkolben nicht in die exakte Neutralstellung zurückführen, da das Erreichen dieser Neutralstellung – wie oben bereits ausführlich dargelegt – durch das hydraulische Zentriersystem mittels Druckbeaufschlagung der Stirnseiten der Steuerkolben unterstützt wird. Der Steuerkolben wird sozusagen durch die Staudrücke, welche auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wirken, in seine Neutrallage gezwungen, in der die entsprechenden Querschnitte, bzw. die Durchflüsse durch diese Querschnitte für Zuleitung und Ableitung von Hydrauliköl zu bzw. von den jeweiligen Servoleitungen ausgeglichen sind und ein ausgeglichenes Druckniveau in den Servoleitungen erreicht ist.
• Zur weiteren Verdeutlichung und zur detaillierten Darstellung der hydrostatischen Verstelleinrichtung gemäß vorliegender Erfindung soll mit den 1 bis 6 die Funktionsweise der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinheit anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Dabei zeigen:
• 1 schematisch einen hydraulischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung,
• 2 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung mit Steuerkolben in Neutrallstellung und Hydraulikmaschine in Nulllage,
• 3 eine vergrößerte Darstellung eines Steuerkolbens mit einseitig aktivierter erfindungsgemäßer Staudruckbegrenzung,
• 4 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit Steuerkolben in verschobener Position und Hydraulikmaschine in ausgelenkter Stellung.
• 5 schematisch einen hydraulischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung,
• 6 schematisch einen hydraulischen Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung,
• Durchgängig sind die in den 1 bis 6 jeweils oben oder links dargestellten Bauteile, welche symmetrisch auf der unteren bzw. rechten Seite ebenfalls vorhanden sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die symmetrisch unten oder rechts dargestellten Bauteile zusätzlich mit einem Apostroph „'„ tragen. Damit wird kenntlich gemacht, dass es sich um das gleiche Bauteil handelt, welches jedoch bezüglich einer Mittelachse der Steuereinheit gespiegelt ist. Speziell Hydraulikmaschinen mit zwei Förderrichtungen weisen sowohl eine symmetrisch ausgebildete Steuereinrichtung als auch eine symmetrisch ausgebildete Servoverstellung auf.
• 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan für ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinheit 1 für eine in zwei Richtungen verstellbare Hydraulikmaschine 2. Das Fördervolumen der Hydraulikmaschine 2 kann durch Auslenken eines Verstellelements 8, z. B. eine Schrägscheibe einer Axialkolbenmaschine, eingestellt werden. Dabei wird die Schrägscheibe 8 über zwei Servokolben 5, 5' ausgelenkt, welche üblicherweise Rücken an Rücken zusammengesetzt und somit einstückig ausgebildet sind. Jeder der beiden Servokolben 5, 5' ist jeweils in einem Servozylinder 4, 4' aufgenommen, mit dem er einen Servoraum 6, 6' ausbildet. Sind die Drucksniveaus in den beiden Servoräumen 6, 6' ausgeglichen, so befindet sich die Schrägscheibe 8 in ihrer nicht ausgelenkten Nulllage, d. h. die Hydraulikmaschine 2 ist in ihrer Nulllage und fördert kein Hydrauliköl. Dies entspricht dem in 1 gezeigten Zustand der Hydraulikmaschine 2, d. h. sowohl das Servosystem 3, aufweisend die Servozylinder 4, 4', die Servokolben 5, 5' und die Servoräume 6, 6', als auch das Steuersystem 16 sind in der Nulllage bzw. in der Neutralstellung. Dabei weist das Steuersystem 16 einen doppelseitig beaufschlagbaren, im Wesentlichen symmetrisch aufgebauten Steuerkolben 11 mit zwei Stirnseiten 13, 13', sowie zwei Aktuatoren 12, 12' zum gegensinnigen Auslenken des Steuerkolbens 11 auf. Der Steuerkolben 11 ist in einem Steuerzylinder 15, der in einem Steuergehäuse 14 ausgebildet ist, längs seiner Längsachse geführt.
• Das Servosystem 3 ist über ein Positionsrückführsystem 9 mit dem Steuersystem 16 elastisch über Rückstellfedern 10, 10' gekoppelt, so dass eine Auslenkung des Servokolbens 5, 5' eine elastische Rückstellkraft auf den Steuerkolben 11 bewirkt. Die beiden Servoräume 6, 6' werden über Servoleitungen 28, 28' mit Hydraulikfluid mit Speisedruck versorgt, bzw. über die beiden Servoleitung 28, 28' wird Hydraulikflüssigkeit aus den Servoräumen 6, 6' zu einem Niederdruckbereich 23 abgeleitet. Die Zuführung von Druckfluid zu den Servoleitung 28, 28' bzw. die Ableitung von Hydraulikfluid aus den Leitungen 28, 28' wird durch den Steuerkolben 11 gesteuert, wenn dieser entsprechend, bspw. über die Aktuatoren 12, 12', ausgelenkt wird. Steigt der Druck bspw. in der Servoleitung 28, so wird der Servokolben 5, 5' in Richtung zum Servoraum 6' verschoben, wenn die Druckerhöhung ausreicht die Kräfte der zentrierenden Servofedern 7, 7' zu überwinden. Dies führt zu einer Auslenkung der Schrägscheibe 8 und somit zu einem Fördervolumen der Hydraulikmaschine 2. Die Rückführung des Servokolbens 5, 5' in seine Nulllage kann bspw. über die Rückstellfedern 7, 7' erfolgen, die den Servokolben 5, 5' in der Nulllage zentrieren, sobald der Druck im Servoraum 6 wieder abnimmt.
• Zum Rückführen des Servokolbens in seine Nulllage muss aber auch der Steuerkolben 11 in seine Neutralstellung gebracht werden, in der die Zuflüsse und Abflüsse von Hydraulikflüssigkeit durch die Durchlässe 24, 24', 27, 27' ausgeglichen sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektrischen Proportionalmagnete 12, 12' stromlos geschaltet werden und so keine Kraft mehr auf den Steuerkolben 11 ausüben. Gleichzeitig bewegen die vorgespannten Steuerkolbenrückholfedern 10, 10' im mechanischen Positionsrückführungssystem 9 den Steuerkolben 11 in die Neutrallage, in der die Federkräfte ausgeglichen bzw. Null sind.
• In den Servodruckleitungen 28, 28' sind Abzweigungen 29, 29' vorgesehen, von denen aus Bypass-Leitungen 30, 30' abzweigen, welche die Servodruckleitungen 28, 28' mit einem niedrigeren Druckniveau 23 verbinden. In den Bypass-Leitungen 30, 30' sind zum Reduzieren des Servodrucks Drosseln 31, 31' vorgesehen, die den Servodruck aus den Leitungen 28, 28' gedrosselt an Staudruckbegrenzungsvorrichtungen 40, 40' weiterleiten.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, sind in den Staudruckbegrenzungsvorrichtungen 40, 40' Drosseln 42, 42' vorgesehen, die den Druck in den hydraulischen Verbindungen 30, 30' auf einem Druckniveau über dem niedrigen Druck im Bereich 23 halten. Über die hydraulischen Verbindungen 30, 30' wirkt der durch die Drosseln 42, 42' aufgestaute Druck gegengleich auf die Stirnseiten 13, 13' des Servokolbens 11. Durch die gegengleiche Beaufschlagung des Steuerkolbens 11 wird dieser in seiner Neutral-Lage (zusätzlich) durch diese hydraulischen Staudrücke zentriert. In der zentrierten Stellung des Steuerkolbens 11 sind die Zuflüsse und Abflüsse von Hydraulikfluid auf jeder Seite des Steuerkolbens 11 gleich.
• Eine bspw. einseitige Belastung der Steuerkolbenrückstellfedern 10, 10' wird von dem Positionsrückführsystem 9 auf den Steuerkolben 11 übertragen, der dadurch in der 1 bspw. nach oben ausgelenkt wird. Durch die Auslenkung des Steuerkolbens 11 nach oben wird die Drossel 24 für die Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit zur Servoleitung 28 und zum Servoraum 6 geöffnet, womit der Druck im Servoraum 6 steigt, d. h. in dem in der in 1 dargestellten oberen Servoraum 6. Dadurch würde aber eine Verstellung der Schrägscheibe 8 bewirkt werden, welche aber nur dann gewollt ist, wenn auch eine Veränderung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine erzielt werden soll. Eine einseitige Belastung der Steuerkolbenrückfuhrfedern kann auch durch das mechanische Spiel in der Schrägscheibenpositionssignalrückführung auftreten.
• Mit der Drucksteigerung in der Servoleitung 28 steigt auch der Druck in der hydraulischen Bypass-Leitung 30 und damit der Druck auf die Stirnfläche 13 des Steuerkolbens 11, der dadurch eine Kraft nach unten in Richtung seiner Neutralllage erfährt. Die Druckzunahme in der Bypass-Leitung 30 wirkt also einen Druckanstieg im Servoraum 6 und somit einem Auslenken der Schrägscheibe 8 entgegen.
• Dieses hydraulische Zentriersystem für den Steuerkolben 11 wirkt bereits bei kleinsten Auslenkungen des Steuerkolbens 11 und kann auch für nicht beabsichtigte größere Störungen, die zu einer Auslenkung des Verstellmechanismus 8 führen, verwendet werden. Dieses Zentriersystem bewirkt/unterstützt die Justierung der hydraulischen Neutrallage des Steuerkolbens 11 im Steuerzylinder 15, oder wenn der Steuerkolben 11 aus einer ausgelenkten Stellung in die Neutralstellung zurückgeführt werden soll. Das hydraulische Zentriersystem erfüllt seine Funktion solange, wie über die hydraulischen Bypassleitungen 30, 30 Staudruck auf die Stirnseiten 13, 13' des Steuerkolbens 11 geleitet wird.
• Mit steigender Auslenkung des Steuerkolbens 11 steigt der Druck in der entsprechenden Servoleitung 28, 28', da die vom Steuerkolben 11 gesteuerten zugehörigen Drosseln 24, 24' immer weiter geöffnet werden. Für das oben angegebene Beispiel wäre das die Drossel 24. In Folge steigt auch die Gegenkraft auf die Stirnseite 13 des Steuerkolbens 11, da der Druck in der Bypass-Leitung 30 parallel zum Druckanstieg in der Leitung 28 steigt.
• Will man nun die Hydraulikmaschine 2 gezielt in ihrem Fördervolumen verstellen, so ist eine Auslenkung des Verstellelementes 8 notwendig, was über eine Druckerhöhung in einer der Servodruckleitungen 28, 28' und somit in einem der Servoräume 6, 6' bewerkstellig werden kann. Damit man nicht mit der Zunahme der Verschiebung/Verstellung des Steuerkolbens 11 eine immer höhere Kraft auf den Steuerkolben 11 aufbringen muss, wird erfindungsgemäß über die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen 40, 40' der Druck in den Leitungen 30, 30' begrenzt und somit die Gegenkraft auf die Steuerkolben-Stirnflächen 13, 13' limitiert.
• Soll die verstellbare Hydraulikmaschine 2 aus der Nulllage, in der sie kein Fördervolumen zeigt, verstellt werden und ein Fördervolumen generieren, so wird bspw. durch Verschieben/Verstellen des Steuerkolbens 11 – in der 1 bspw. nach oben – die Drossel 24 zur Druckerhöhung in der Servoleitung 28 geöffnet. Wenn sich der Druck in der Servoleitung 28 erhöht, erhöht sich auch der Druck im Servoraum 6. Diese Druckerhöhung im Servoraum 6 verschiebt den Servokolben 5, 5 in dem in 1 dargestellten Schema nach unten, wodurch das Verstellelement 8 nach unten ausgelenkt und die Hydraulikmaschine 2 aus ihrer Nullstellung verstellt wird. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung in der Leitung 28 erfolgt auch eine Druckerhöhung in der Leitung 30, wodurch die Kraft, die auf die Stirnseite 13 des Steuerkolbens 11 wirkt, erhöht wird. Jedoch steigt der Druck nur bis zu einem gewissen Wert, an dem ein vorbestimmter Schwellendruck in der Bypass-Leitungen 30 erreicht ist und an dem die die Staudruckbegrenzungsvorrichtung 40 den Durchfluss durch die Bypass-Leitungen 30 reduziert.
• Der vorbestimmte Schwellendruck für die Veränderung des Durchfluss durch die Bypass-Leitung 30 kann dabei bspw. so eingestellt werden, dass der Druck in der Bypass-Leitung 30 den Schwellenwert dann erreicht, wenn der korrespondierende Druck in der Servodruckleitung 28 ausreichend hoch ist, um den Servokolben 5, 5' aus seiner Mittellage gegen die beiden Servofedern 7, 7' zu verschieben. Dies ist dann der Fall, wenn bspw. eine gezielte Veränderung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine gewollt ist.
• Mit diesem beispielhaft angegebenen Fall wird erreicht, dass kleine ggf. vibrationsartige Bewegungen der Schrägscheibe 8, die bspw. im Rahmen von Herstelltoleranzen oder des mechanischen Spiels in der Schrägscheibenpositionssignalrückführkette auftreten können und die über das Positionsrückführsystem 9 auf den Steuerkolben 11 übertragen werden, durch die hydraulische Zentrierung mit Hilfe der Drücke, die in den Leitungen 30, 30' auf die Stirnfläche 13, 13' des Servokolbens 11 wirken, ausgeglichen bzw. kompensiert werden können. Für eine zielgerichtete Verstellung können die hydraulischen Rückstell- bzw. Zentrierkräfte durch die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen 40, 40' begrenzt bzw. abgeschaltet werden. Damit kann eine zielgerichtete Verstellung des Steuerkolbens 11 zum Erreichen einer Fördervolumenverstellung der Hydraulikmaschine mit relativ geringen Kräften vollzogen werden, da keine ansteigenden hydraulischen Rückstellkräfte zu überwinden sind.
• Die oben beispielhaft angegebene Bestimmung für einen vorgebbaren Schwellenwert für die Abschaltung der hydraulischen Zentrierung kann jedoch im Sinne der Erfindung frei abgeändert werden und jeder beliebige Schwellendruck für die Begrenzung des Druckniveaus in den Leitungen 30, 30' gewählt werden, je nachdem, welche Störeinflüsse auf die Nulllage der Hydraulikmaschine 2 im Einsatz erwartet werden. Für die Abschaltung der hydraulischen Zentrierkräfte auf den Steuerkolben 11 kann eine exakte Druckbegrenzungen bspw. mittels Druckbegrenzungsventilen 44, 44' erfolgen (vgl. 6). Durch eine kontinuierliche Verringerung der Druckfluidzuführung zu den Leitungen 30, 30' kann die gegen die Auslenkung gerichtete Gegenkraft auf den Steuerkolben 11 kontinuierlich angepasst werden. Eine abrupte Abschaltung der Gegenkraft kann bspw. auch durch ein in der Leitung 30 parallel zu Drossel 42 angeordnetes Rückschlagventil 46 bewirkt werden (vgl. 5).
• In 2 ist ein Längsschnitt durch ein Steuergehäuse 14 und dem darin befindlichen Steuerkolben 11 im Steuerzylinder 15 dargestellt, zusammen mit einer schematischen Darstellung der Leitungsverbindungen mit den weiteren Komponenten des in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleineinheit einer Hydraulikmaschine 2. Das Steuergehäuse 14 bildet zusammen mit dem Steuerzylinder 15 und dem Steuerkolben 11 die Steuereinheit 16.
• Aus 2 erkennt man, dass die beispielhaft dargestellte Steuereinheit 16 eine Steuereinheit für eine Hydraulikmaschine darstellt, deren Förderstrom nicht nur einstellbar ist, sondern deren Förderrichtung ebenfalls umkehrbar ist, d. h. sie ist sowohl im Links-/Rechtslauf als auch als Pumpe oder Motor einsetzbar. Im diesem Fall ergibt sich für die Steuereinheit ein im Wesentlicher symmetrischer Aufbau des Steuergehäuses 14, des Steuerzylinders 15 und des Steuerkolbens 11. Der Steuerzylinder 14 kann, wie in dem Ausführungsbeispiel in 2 ebenfalls dargestellt, rotationssymmetrisch aufgebaut sein und weist für die zu steuernden Leitungen Nuten auf, die vom Steuerkolben 11 geöffnet oder geschlossen werden können. Die Absätze im Steuerzylinder 14 zwischen den zuvor angesprochenen Nuten bilden bezüglich der Steuereinheit ortsfeste Steuerkanten 24z, 24z', 27z, 27z' aus, die mit den beweglichen Steuerkanten 24k, 24k', 27k, 27k' des Servokolbens 11 korrespondieren. Die Steuerkanten 24k, 24k, 27k, 27k' des Steuerkolbens 11 werden bei Verschiebung des Steuerkolbens 11 gleichsam mit verschoben, wodurch die Abstände der Steuerkantenpaare 24z/24k, 24z'/24k', 27z/27k, 27z'/27k' vergrößert bzw. verkleinert werden, bzw. die Durchlässe 24, 24', 27, 27', die durch die Steuerkantenpaare 24z/24k, 24z'/24k', 27z/27k, 27z'/27k' gebildeten werden, werden vergrößert bzw. verkleinert, wenn man von einer Neutralstellung des Steuerkolben 11 mit negativer Steuerkantenüberdeckung der Steuerkantenpaare 24z/24k, 24z'/24k', 27z/27k, 27z'/27k' ausgeht – wie in 2 gezeigt. Bei entsprechend großer Verschiebung des Steuerkolbens 11 können die Steuerkanten 24k, 24k', 27k, 27k' des Servokolbens 11 hinter die Steuerkanten 24z, 24z', 27z, 27z' des Steuerzylinders 14 geschoben werden, wodurch die korrespondierenden Durchlässe verschlossen sind (vgl. hierzu auch 4, Durchlässe 24' und 27). Ausgehend von einer negativen Steuerkantenüberdeckung in der Neutrallage ist der jeweils symmetrisch angeordnete Durchlass eines durch eine Auslenkung des Steuerkolbens 11 verschlossenen Durchlasses geöffnet und umgekehrt.
• Der in 2 dargestellte Servokolben 11 befindet sich in seiner Neutrallage. In der Neutrallage des Steuerkolbens 11 sind alle Steuerkanten 24k, 24k, 27k und 27k von ihren korrespondierenden Steuerkanten 24z, 24z', 27z, 27z' des Steuerzylinders 14 beabstandet, wodurch die Durchlässe 24, 24', 27 und 27 derart gering geöffnet sind, dass der Durchfluss durch die jeweiligen Durchlässe 24, 24', 27 und 27' gleich hoch ist, bzw. der Druck in den Servoleitungen 28, 28' weitestgehend ausgeglichen ist. Die beiden Durchlässe 24 und 24' stellen dabei die Durchlässe für die Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit mit Speisedruckniveau zu den Servodruckleitungen 28 und 28' dar, und die Durchlässe 27 und 27' bilden entsprechend die Ableitung von Hydraulikflüssigkeit aus den Servodruckleitungen 28 und 28' zum Bereich 23 mit niedrigerem Druckniveau.
• In der Neutrallage des Steuerkolbens 11 sind die Steuerkanten 24k und 24z im rein theoretischen Fall gleichweit voneinander entfernt, genauso wie die beiden symmetrisch angeordneten Steuerkanten 24k' und 24z'. Gleiches gilt im rein theoretischen Fall für die Abstände zwischen den Steuerkanten 27k und 27z bzw. für 27k' und 27z', vorausgesetzt der Steuerzylinder 15 und der Steuerkolben 11 ließen sich bzgl. der Steuerkantendurchmesser toleranzfrei herstellen. Da dies in der Praxis nicht möglich ist, ist die Neutrallage des Steuerkolbens dann erreicht, wenn die Durchlässe 24, 24', 27 und 27' gleich viel Hydraulikflüssigkeit in die jeweiligen Bereiche strömen lassen, so dass in den Servodruckleitungen 28 und 28' ein ausgeglichenes Druckniveau herrscht. Nur wenn zwischen den Servodruckleitungen 28 und 28' keine Druckdifferenz auftritt, sind die Drücke in den Servoräumen 6 und 6' gleich hoch, wodurch der Servokolben 5, 5' durch die Zentrierfedern 7, 7' in seiner Mittellage gehalten wird. In der Mittellage des Servokolbens 5, 5' ist dann folglich das Verstellelement 8 ebenfalls in seiner nicht-ausgelenkten Stellung, womit die Hydraulikmaschine 2 in ihrer Nulllage ist und kein Fördervolumen aufweist. In der Nulllage der Hydraulikmaschine 2 steht diese still, da kein Fördervolumen erforderlich ist. Konsequenterweise steht die Vorrichtung, in der die hydraulische Maschine 2 verwendet wird, z. B. ein Fahrzeug still.
• Angenommen, dass die durch verschiedene Betriebszustände ausgelösten Kräfte innerhalb der Hydraulikmaschine 2 das Verstellelement 8 und den damit verbundenen Servokolben 5, 5' in dem in 2 dargestellten Schema nach links verschieben wollen – was im Rahmen des Spiels der beteiligten Bauelemente durchaus möglich ist – so werden die Steuerkolbenrückführfedern 10, 10' des Positionsrückführsystems 9 nach links ausgelenkt, was aufgrund der Drehachse 9a des Positionsrückführsystems 9 eine entgegengerichtete Verstellkraft nach rechts auf den Steuerkolben 11 bewirkt. Bewegt man gedanklich den Steuerkolben 11 in 2 nach rechts, so erkennt man, dass der Zuleitungsdurchlass 24 für die Servodruckleitung 28 verkleinert wird und gleichzeitig der Zuleitungsdurchlass 24' für die Servodruckleitung 28' vergrößert wird. Umgekehrt verhält es sich für die Ableitungsdurchlässe 27 und 27', d. h. der Ableitungsquerschnitt 27 für Hydraulikflüssigkeit aus der Servoleitung 28 zum Niederdruckbereich 23 wird vergrößert, während der der Ableitungsquerschnitt 27' für Hydraulikflüssigkeit aus der Servoleitung 28 verkleinert wird. Damit steigt der Druck in der Servoleitung 28' über den Druck in der Servoleitung 28, da auf der rechten Seite des Steuerkolbens 11 (deren Elemente mit einem Apostroph versehen sind) die Zuleitung von Druckfluid aus der Zufuhrleitung 21' vergrößert und gleichzeitig die Ableitung von Hydraulikfluid aus der Servoleitung 28 zum Niederdruckbereich 23 begünstigt wird. Bliebe der Steuerkolben 11 in dieser ausgelenkten Stellung, in die er durch die mechanisch-elastische Wirkverbindung mit dem Verstellelement 8 gebracht wurde, so würde der Servokolben 5, 5' aufgrund der Druckerhöhung in der Servodruckleitung 28' und dem mit der Leitung 28' verbundenem Servodruckraum 6' hydraulisch nach links verschoben werden. Dies würde eine Zunahme des Fördervolumens der Hydraulikmaschine 2 begünstigen.
• Hier greift die hydraulische Zentrierung für den Steuerkolben 11 ein. Durch die Druckerhöhung in der Servodruckleitung 28' steigt der Druck in der Bypassleitung 30', welche in dem in der 2 gewählten Ausführungsbeispiel durch die koaxiale Bohrung 30' im Steuerkolben 11 realisiert wurde. Die koaxiale Bohrung 30' steht über die radiale Bohrung 31' mit der Servoleitung 28' und mit der Bohrung 17' mit dem Niederdruckbereich 23 in Fluidverbindung. Die beiden Bohrungen 31' und 17' können dabei Drosseln ausbilden, wenn ihr Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der koaxialen Bohrung 30'. Analog ist auf der linken Seite des Steuerkolbens 11 eine koaxiale Bohrung 30 ausgebildet, die über eine radiale Bohrung 31 mit der Servodruckleitung 28 und mit der Bohrung 17 mit dem Niederdruckbereich 23 fluidverbunden ist. Steigt nun, wie in dem angenommenen Lastfall, der Druck in der Servoleitung 28' und damit der Druck in der Bypassleitung 30' (koaxiale Bohrung 30'), so steigt der Druck im Druckraum 36' zwischen der Stirnseite 13' des Steuerkolbens 11 und dem Aktuator 12', und somit steigt der Druck, der auf die Stirnseite 13' des Steuerkolbens 11 wirkt. Damit wird eine Kraft erzeugt, die in der Zeichenebene der 2 nach links zeigt und die den Steuerkolben 11 wieder in seine Neutralstellung zurückschiebt. Durch die bewirkte Verschiebung des Steuerkolbens 11 auf eine Seite, wird somit auf der entsprechenden Stirnseite des Steuerkolbens 11 eine hydraulische Gegenkraft erzeugt, wodurch der Steuerkolben 11 wieder in seine Neutralstellung verbracht werden kann.
• Wie aus den obigen Erläuterungen der hydraulischen Zentrierung erkennbar ist, steigt mit zunehmender Auslenkung des Steuerkolbens 11 auch die Kraft auf die entsprechende Stirnseite 13, 13' des Steuerkolbens 11, die den Steuerkolben 11 wieder in seine Neutralstellung zurückschieben will. Wirken die Bohrungen 17, 17', 31, 31' als Drosseln, so ist die generierte Gegenkraft für die Rückführung des Steuerkolbens 11 zudem last-, viskositäts- und temperaturabhängig. Die originäre Aufgabe des Steuerkolbens 11 besteht jedoch darin, die Auslenkung/Steuerung der Hydraulikmaschine 2 zu steuern, und dies möglichst präzise, mit Kräften, die nicht von der Last auf die Hydraulikmaschine und/oder wechselnden Temperaturen und/oder der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit abhängig sind. Dies wird erreicht, in dem die hydraulische Zentrierung des Steuerkolbens 11 bei zielgerichteter Verstellung des Steuerkolbens 11 – also bei zielgerichteter Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine 2 – in seiner Wirkung begrenzt wird. Dabei umfasst die Erfindung sowohl eine konkrete Begrenzung der hydraulischen Gegenkraft auf einen vorgebbaren Maximalwert, als auch ein Konstanthalten oder eine kontinuierliche Rücknahme der Gegenkraft auf einen vorgebbaren Wert (vgl. hierzu auch 5 und 6). Im Sinne der Erfindung sollen alle diese Ausführungen als Begrenzung des Staudrucks verstanden werden, der in den hydraulischen Bypassleitungen 30, 30 wirkt.
• Für die als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in 2 dargestellte Begrenzung der hydraulischen Gegenkraft ist auf jeder Seite des Steuerkolbens 11 ein koaxialer zweiseitig mit Druckfluid beaufschlagbarer Innenkolben 32, 32' im Steuerkolben 11 vorgesehen. Ein solcher Steuerkolben 11 mit innenliegenden Innenkolben 32, 32' ist in 3 vergrößert gegenüber der 2 dargestellt.
• Wie aus 3 ersichtlich ist, sind die Innenkolben 32, 32' koaxial in zylindrischen Ausnehmungen 35, 35' im Steuerkolben 11 angeordnet und geführt. Dabei sind die zylindrischen Ausnehmungen 35, 35' nach innen zur Steuerkolbenmitte hin durch Grundflächen 37, 37' begrenzt. In den Grundflächen 37, 37' sind Öffnungen/Bohrungen 17, 17' vorgesehen, die die Ausnehmungen 35, 35' mit dem Niederdruckbereich 23 fluidisch verbinden. Nach außen zu den Stirnseiten 13, 13' des Steuerkolbens 11 hin sind die Ausnehmungen 35, 35' mit Verschlussstopfen 34, 34' verschlossen, die koaxiale Bohrungen 38, 38' aufweisen, welche die Fluidverbindung zu den Druckräumen 36, 36' herstellen. Dabei wirken die nach außen weisenden Flächen 39, 39' der Verschlussstopfen 34, 34' mit den Ringflächen der Stirnseiten 13, 13' des Steuerkolbens 11 derart zusammen, dass sie zusammen die für die Erzeugung der hydraulischen Zentrierkräfte notwendigen Flächen bereitstellen. Weiterhin ist die axiale Länge der Ausnehmungen 35, 35' zwischen den Grundflächen 37, 37' und den Verschlussstopfen 34, 34' größer als die axiale Länge des darin aufgenommenen Innenkolbens 32, 32', so dass sich die Innenkolben 32, 32' in axialer Richtung relativ zum Steuerkolben 11 zwischen den Grundflächen 37, 37' und den Verschlussstopfen 34, 34' bewegen können. In der Neutralstellung des Steuerkolbens 11 sind die Innenkolben 32, 32' durch Innenkolbenrückstellfedern 48, 48' gegen die Verschlussstopfen 34, 34' vorgespannt, womit die zur Steuerkolbeninnenseite weisenden Stirnflächen der Innenkolben 32, 32' von den jeweiligen Grundflächen 37, 37' der Ausnehmungen 35, 35' beabstandet sind.
• Die Innenkolben 32, 32 weisen ferner jeweils koaxiale Bohrungen 30, 30' und radiale Bohrungen 33, 33' auf, die zusammen mit den Bohrungen 38, 38' in den Verschlussstopfen 34, 34' und den Bohrungen 17, 17' und 31, 31' im Steuerkolben die hydraulischen Bypassleitungen 30, 30' ausbilden, mittels welcher die hydraulischen Zentrierkräfte auf den Steuerkolben 11 erzeugt werden können. Erfindungsgemäß ist der Durchgang für Druckfluid durch die Bohrungspaare 31/33 und 31'/33' in der vollständig geöffneten Stellung, wenn der korrespondierende Innenkolben 32, 32' am entsprechenden Verschlussstopfen 34, 34' anliegt. Mit der oben geschilderten Anordnung kann demnach die ausgleichende Wirkung des Staudrucks in den Leitungen 30, 30' erfolgen. Für die erfindungsgemäße Staudruckbegrenzung ist in den Innenkolben 32, 32' an ihrem jeweiligen zur Steuerkolbenmitte weisenden Ende eine weitere Drossel 42, 42' vorgesehen, die den Staudruck in den koaxialen Bohrungen 30, 30' auf einen Druck aufstauen können, der größer ist als der Druck in den Bohrungen 17, 17', die mit dem Niederdruckbereich 23 in Fluidverbindung stehen.
• Wird der Steuerkolben 11 ausgelenkt und einer der Durchlässe 24, 24' für die Zuleitung von Druckfluid geöffnet, so steigt der Druck in einer der Bohrungen 31, 31' und damit auch in einer der Bohrungen 33, 33', womit der Druck in der korrespondierenden koaxialen Bohrung 30, 30' steigt. Durch die Drosseln 42, 42' wird der Druck innerhalb des Innenkolbens 32, 32' über dem im Niederdruckbereich 23 gehalten und wird über die Bohrung 30, 30' auf die dem Verschlussstopfen 34, 34' zugewandte Stirnfläche 41, 41' des Innenkolbens 32, 32' und über die Bohrungen 38, 38' zu den Druckräumen 36, 36' geleitet. Übersteigt der Druck auf eine der Stirnflächen 41, 41' einen bestimmten Wert, so ist die auf den Innenkolben 32, 32' zur Steuerkolbenmitte hin wirkende Kraft größer als die der Innenkolbenfedern 48, 48', und der Innenkolben 32, 32' wird zur Steuerkolbenmitte hin verschoben. Mit der Verschiebung des Innenkolbens 32, 32' zur Steuerkolbenmitte wird auch die Bohrung 33, 33' verschoben, wodurch der Öffnungsquerschnitt für den Eintritt von Druckfluid durch die Bohrungsreihenschaltung 31/33 bzw. 31/33' verringert wird. Damit steigt der Staudruck in der hydraulischen Bypassleitung 30, 30' langsamer als der Druck in der zugehörigen Servoleitung 28, 28', und die erzeugte hydraulische Gegenkraft gegen die Auslenkung des Steuerkolbens 11 nimmt mit zunehmender Auslenkung des Steuerkolbens 11 nur unterproportional zur Servodruckerhöhung zu.
• In der in 3 gezeigten vergrößerten Darstellung des Steuerkolbens 11 ist die dargestellte linke Seite des Steuerkolbens 11 in der Ausgangsstellung dargestellt, in der die Staudruckbegrenzung in der linken Bypass-Leitung 30 nicht aktiviert ist. Die rechte Seite des in 3 dargestellten Steuerkolbens 11 zeigt hingegen die aktivierte Staudruckbegrenzung, bei der der Innenkolben 32' an der Grundfläche 37' der Ausnehmung 35' anliegt und der Durchlass durch die beiden Bohrungen 31' und 33' (nahezu) unterbrochen ist. Gleichzeitig ist der Innenkolben 32' von der Stirnfläche 41' des Verschlussstopfens 34' entfernt und die Innenkolbenfeder 48' zusammengedrückt. Damit ist der Druck im Druckraum 36 auf der rechten Seite des Steuerkolbens 11, so hoch, dass der Niederdruck, der in der Bohrung 17' herrscht und der auf die Innenseite des Innenkolbens 32' wirkt, und auch die Federkraft der Feder 48' überwunden werden. Der in 3 dargestellte Steuerkolben 11 befindet sich somit in einer nach rechts ausgelenkten Stellung, bei der gezielt das Fördervolumen der Hydraulikmaschine 2 verstellt werden soll.
• Zur weiteren grafischen Darstellung der erfindungsgemäßen Idee ist in 4 das System gemäß 2 in einer Stellung gezeigt, in der der Steuerkolben 11 zur zielgerichteten Verstellung der Hydraulikmaschine 2 von einem der beiden Aktuatoren 12 bzw. 12' aus seiner Neutrallage verschoben ist. Hierbei ist die Lage der Innenkolben 32, 32' bezüglich der Aufnahmen 35, 35' im Steuerkolben 11 gut erkennbar. Die Auslenkung des Steuerkolbens 11 ist zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt.
• Mit der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, die in den 2, 3 und 4 dargestellt sind, werden die an die Erfindung gestellten Aufgaben gelöst. Durch die Drucksteuerung der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinrichtung wird erreicht, dass die hydraulischen Zentnerkräfte last-, viskositäts- und temperaturunabhängig sind. Mit steigendem Druck werden die gegen die Auslenkung wirkenden (Gegen-)Kräfte limitiert bzw. reduziert, indem der Zuflussquerschnitt zu den hydraulischen Bypassleitungen 30, 30' abhängig von der Auslenkung des Steuerkolbens 11 verringert wird und gleichzeitig der Druck in der Bypassleitung 30, 30' durch eine der Drosseln 42, 42' auf über Referenzdruckniveau gehalten wird.
• In den 2 bis 4 wurde beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bei der in koaxialen Ausnehmungen 35, 35' verschieblich aufgenommene Innenkolben 32,32' als Staudruckbegrenzung in der hydraulischen Leitung 30 ausgestaltet sind. Weitere fachübliche Druckbegrenzungen für den Staudruck in den hydraulischen Bypassleitungen 30, 30' sind, wie bereits im allgemeinen Teil der Erfindungsbeschreibung aufgezeigt wurde, von der Erfindung jedoch mitumfasst.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, welche in 5 dargestellt ist, können die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen 40, 40' bspw. zu einer Drossel 42, 42' parallel angeordnete Rückschlagventile 46, 46' aufweisen, die bei Überschreiten eines Schwellenwertes für den Druck in einer der hydraulischen Leitungen 30, 30' öffnen und den Druck in der korrespondierenden hydraulischen Leitung 30, 30' beispielsweise auf den Schwellendruck entspannen.
• In der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem beispielhaft zu den Drosseln 42, 42' parallel angeordnete Druckbegrenzungsventile 44, 44' den Druck in den hydraulischen Bypassleitungen 30, 30' in Funktion des Drucks im Niederdruckbereich 23 einstellen bzw. begrenzen. Bei dieser Ausführungsform kann der Schwellendruck sowohl über die Druckbegrenzungsventile 44, 44' einstellbar sein oder auch über eine Modulation des im Niederdruckbereich 23 vorherrschenden Drucks.
• Der Druck im Niederdruckbereich 23 kann dabei den Druck im Gehäuse der Hydraulikmaschine 2 darstellen, also dem Gehäusedruck entsprechen, oder aber auch einem Tankdruckniveau eines Tanks 23 entsprechen, in den die Hydraulikflüssigkeit abgeführt wird. Im Allgemeinen wird der Druck im Tank 23 etwa dem Umgebungsdruck entsprechen, wobei der Druck im Gehäuse im Allgemeinen größer ist als der Umgebungsdruck.
• Fachüblich kann die für das Erzeugen des Speisedrucks durch die Speisepumpe 18 benötigte Hydraulikflüssigkeit sowohl aus einem Tank als auch aus einem Reservoir im Gehäuse der Speisepumpe 18 zugeführt werden.
• Wie insbesondere durch die Ausführungsbeispiele dargestellt, ist die erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleinheit in ihrem Aufbau einfach und daher robust und zuverlässig. Zudem hat sie den Vorteil, dass sie in bereits vorhandene hydrostatische Verstelleinrichtungen, die eine hydraulische Justierung der Neutrallage des Steuerkolbens etwa gemäß DE 10 2008 052 338 B3 aufweisen, eingesetzt werden kann. Aber auch in Steuervorrichtungen ohne hydraulische Zentrierung kann die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung realisiert werden. In beiden Fällen ist lediglich der Austausch des vorhandenen Steuerkolbens durch einen Steuerkolben gemäß 3, 5 oder 6 notwendig. Weitere Anpassungen an bereits bestehenden hydrostatischen Verstelleinrichtungen sind für die Erfüllung der hydrostatischen Steuerkolbenzentrierung in der Neutrallage mit ausgebildeter Kraftbegrenzung bei Auslenkung des Steuerkolbens zur gezielten/gewollten Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine nicht notwendig.
• Weder am Steuergehäuse noch am Steuerzylinder einer bereits vorhandenen hydrostatischen Verstelleinrichtung muss eine weitere Änderung vorgenommen werden, damit die erfindungsgemäße hydrostatische Verstelleinrichtung mit Rückstellkraftbegrenzung verwirklicht werden kann. Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, Verstelleinrichtungen älterer Bauart mit der neuen erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstellvorrichtung auszurüsten, womit diese von den erfindungsgemäßen Vorteilen profitieren.
• Für den Fachmann ist es selbstredend, dass alle Arten einer verstellbaren Hydraulikmaschine mit einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinrichtung mit Staudruckbegrenzung ausgerüstet bzw. nachgerüstet werden können. Dabei ist nicht nur an neue Hydraulikmaschinen zu denken, sondern auch an die Nachrüstung bei beispielsweise bereits ausgelieferten und/oder reparaturbedürftigen hydrostatischen Verstelleinheiten mit oder ohne hydraulischer Zentrierung der Neutralstellung des Steuerkolbens.
• Bezugszeichenliste

1

Hydrostatische Verstelleinheit

2

Hydraulikmaschine

3

Servosystem

4, 4'

Servozylinder

5, 5'

Servokolben

6, 6'

Servoraum

7, 7'

Servokolbenzentrierfeder

8

Verstellelement

9

Positionsrückführsystem

9a

Drehachse des Positionsrückführsystems

10, 10'

Steuerkolbenrückführfeder des Positionsrückführsystems

11

Steuerkolben

12, 12'

Aktuator

13, 13'

Stirnfläche der Steuerkolben

14

Steuergehäuse

15

Steuerzylinder/Bohrung

16

Steuereinheit

17, 17

Drossel

20

Einlass

21, 21'

Druckfluidzufuhrleitung (Speisedruck)

22, 22'

Hydraulikfluidableitung zum Niederdruckbereich

23

Niederdruckbereich

24, 24'

Durchlass für Druckfluid

24k, 24k'

Steuerkanten am Steuerkolben zur Steuerung der Druckfluidzufuhr an Servokolben

24z, 24z'

Steuerkanten am Steuerzylinder zur Steuerung der Druckfluidzufuhr an Servokolben

25, 25'

Ringkanal für Druckfluidzufuhr an Servokolben

25a, 25a'

Ringkanal für Hydraulikfluidableitung an Niederdruckbereich

26, 26'

Abzweigung

27, 27'

Durchlass für Hydraulikfluidableitung

27k, 27k'

Steuerkanten am Steuerkolben für Hydraulikfluidableitung an Niederdruckbereich

27z, 27z'

Steuerkanten am Steuerzylinder für Hydraulikfluidableitung an Niederdruckbereich

28, 28'

Servodruckleitung

29, 29'

Abzweigung

30, 30'

hydraulische Bypassleitung/koaxiale Bohrung

31, 31

Drossel/radiale Bohrung in Steuerkolbenwand

32, 32'

Innenkolben

33, 33'

radiale Bohrung im Innenkolben

34, 34'

Verschlussstopfen

35, 35'

zylindrische Ausnehmung im Steuerkolben

36, 36'

Druckraum

37, 37'

Grundfläche der zylindrischen Ausnehmung

38, 38'

koaxiale Bohrung im Verschlussstopfen

39, 39'

Stirnfläche Verschlussstopfen

40, 40'

Staudruckbegrenzungsvorrichtung

41, 41'

Stirnfläche Innenkolben

42, 42'

Drossel für Staudruck in Bypassleitung

44, 44'

Druckbegrenzungsventil

46, 46'

Rückschlagventil

48, 48'

Innenkolbenrückstellferdern

Claims (15)

1. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) einer Hydraulikmaschine (2) zur Verstellung des Fordervolumens und/oder der Leistung der Hydraulikmaschine (2), wobei die Verstelleinrichtung (1) ein Steuergehäuse (14) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung (15) und einen in zwei Richtungen durch Aktuatoren (12, 12') in der Bohrung (15) längsverschieblichen Steuerkolben (11) aufweist, der durch Verschiebung mittels erster Steuerkanten (24k, 24k') die Breite von Durchlässen (24, 24') für die Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit zu Servoleitungen (28, 28') und mittels zweiter Steuerkanten (27k, 27k') die Breite von Durchlässen (27, 27') für die Ableitung von Hydraulikflüssigkeit von den Servoleitungen (28, 28') zu einem Niederdruckbereich (23) gegenläufig steuert, wobei Stirnseiten (13, 13') des Steuerkolbens (11) mit einem Staudruck über hydraulische Leitungen (30, 30') beaufschlagbar sind, welche die Servoleitungen (28, 28') mit dem Niederdruckbereich (23) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass in den hydraulischen Leitungen (30, 30') Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') vorgesehen sind, die: – in Nullstellung der Hydraulikmaschine (2), in der die Hydraulikmaschine (2) kein Fördervolumen aufweist, den Staudruck über den Druck im Niederdruckbereich (23) und unter den Druck in den Servoleitungen (28, 28') einstellen, und – im Fall einer zielgerichteten Verstellung der Hydraulikmaschine (1) zum Bewirken einer Leistungsverstellung der Hydraulikmaschine (2) den Staudruck auf einen vorbestimmten Schwellenwert begrenzen.
2. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikmaschine (1) aus der Nullstellung mittels der Aktuatoren (12, 12') verstellt wird.
3. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') die Begrenzung des Staudrucks in einer der hydraulischen Leitungen (30, 30') unter einen Schwellenwert durch Steuerung des Zufluss von Hydraulikflüssigkeit zu der jeweiligen hydraulischen Leitung (30, 30') bewirken.
4. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Staudruckbegrenzungsvorrichtung (40, 40') zur Begrenzung des Staudrucks in einer der hydraulischen Leitungen (30, 30') den Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus der jeweiligen hydraulischen Leitung (30, 30') zum Niederdruckbereich (23) erhöht.
5. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') den Abfluss staudruckabhängig erhöht.
6. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') jeweils eine Staublende (42, 42'), die zwischen der jeweiligen Stirnfläche (13, 13') des Steuerkolbens (11) und dem Niederdruckbereich (23) angeordnet ist, und zu den Staublenden (42, 42') parallel angeordnete Druckbegrenzungsventile (44, 44') aufweisen, die den Staudruck in der jeweiligen hydraulischen Leitung (30, 30') begrenzen.
7. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsventile (44, 44') als Innenkolben (32, 32') koaxial im Steuerkolben (11) ausgebildet sind, die längs der Kolbenachse relativ zum Steuerkolben (11) bewegbar sind und die den jeweiligen Öffnungsquerschnitt der Drossel (31, 31') steuern.
8. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Staublenden (42, 42') in den Innenkolben (32, 32') ausgebildet sind.
9. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsventile (44, 44') Rückschlagventile (46, 46') sind.
10. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') den Staudruck in den hydraulischen Leitungen (30, 30') durch Modulation des Drucks im Niederdruckbereich (23) einstellen.
11. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert für die Begrenzung des Staudrucks in einer der hydraulischen Leitungen (30, 30') erreicht ist, wenn der Druck in der korrespondierenden Servoleitung (28, 28') in Folge der Auslenkung des Steuerkolbens (11) einen Wert erreicht hat, der ausreicht, um ein Verstellelement (8) der Hydraulikmaschine (2) gegen Vorspannkräfte von Zentrierfedern (7, 7') aus seiner Nullstellung zu verstellen.
12. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das niedrigere Druckniveau (23) im Gehäuse der Hydraulikmaschine (2) und/oder in einem Tank herrscht.
13. Hydrostatische Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nullstellung der Hydraulikmaschine (2) die Steuerkanten (24k, 24k') des Steuerkolbens (11) mit den Durchlässen (24, 24') eine negative Überdeckung aufweisen.
14. Steuerkolben (11) geeignet zur Verwendung in einer hydrostatischen Verstelleinrichtung (1) einer verstellbaren Hydraulikmaschine (2) mit ersten Steuerkanten (24k, 24k') und zweiten Steuerkanten (27k, 27k') sowie Stirnseiten (13, 13') und hydraulische Leitungen (30, 30'), die Bereiche des Steuerkolbens (11), die zwischen den ersten Steuerkanten (24k, 24k') und zweiten Steuerkanten (27k, 27k') des Steuerkolbens (11) angeordnet sind, mit den Stirnseiten (13, 13') hydraulisch verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass in den hydraulischen Leitungen (30, 30') Staudruckbegrenzungsvorrichtungen (40, 40') vorgesehen sind, und dass der Druck in den hydraulischen Leitungen (30, 30') über Staublenden (42, 42') in einen Bereich zwischen den zweiten Steuerkanten (27k, 27k') ableitbar ist.
15. Hydraulikmaschine (2) mit einer hydrostatischen Verstelleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

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