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Die Erfindung betrifft eine Servoverstelleinrichtung zur Verstellung des Förder- bzw. Schluckvolumens einer Hydraulikmaschine mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Position eines Servokolbens in einem Servozylinder der Verstelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verstelleinrichtungen für Hydraulikmaschinen werden dazu benutzt, das Förder- bzw. Schluckvolumen von Hydraulikmaschinen zu verändern bzw. einzustellen. Üblicherweise werden dabei hydraulische Verstelleinrichtungen mit einem Servokolben verwendet, welcher von einer Steuereinheit mittels eines Steuerkolbens mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird. Bei Schrägachsenmaschinen wird über den Servokolben eine Zylindertrommel relativ zum Gehäuse, beziehungsweise zur Eingangs- oder Ausgangswelle, verschwenkt. Bei Schrägscheibenmaschinen wird über den Servokolben eine Schrägscheibe, an welcher sich die einzelnen Kolben abstützen, relativ zur Zylindertrommel verschwenkt. Zur Bestimmung des Schwenkwinkels und somit zur Bestimmung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine kann daher beispielsweise die Position des Servokolbens erfasst werden. Der Schwenkwinkel der Hydraulikmaschine, d. h. das Förder- oder Schluckvolumen der Hydraulikmaschine ist insbesondere zur Bestimmung des Fahrzustands sowie zur Regelung des Antriebs von großer Bedeutung.
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Beispielsweise ist aus
DE 101 19 236 C4 eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsen-Bauweise mit einem Schwenkwinkelsensor bekannt, bei der in einer ersten Ausbildung der Schwenkwinkelsensor mit einem Verstellschieber (Servokolben) zur Verstellung des Schwenkwinkels der Axialkolbenmaschine zusammenwirkt. Der Schwenkwinkelsensor ist dabei über eine Welle mit einem Hebelarm verbunden, dessen freies Ende durch eine quer zum Verstellschieber gerichtete Kulissenführung mit dem Verstellschieber verbunden ist, der von einem Servokolben bewegt wird. Somit führt eine Längsverschiebung des Verstellschiebers (Servokolbens) über die Kulissenführung und den Hebelarm zu einer Rotation der Welle, welche von einem Sensor erfasst wird. Vom Sensor ist die Position des Verstellschiebers und dementsprechend die Verschwenkung der Schrägachseneinheit erfassbar. In einer weiteren Ausführung wird der Schwenkwinkel der Schrägachsenmaschine mittels eines Abstandssensors erfasst. Der Abstandssensor ist dabei derart im Gehäuse der Schrägachsenmaschine angeordnet, dass er den Abstand des Umfangs der Zylindertrommel zum Gehäuse der Schrägachsenmaschine misst. Über diesen Abstand kann der Schwenkwinkel der Einheit bestimmt werden.
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Aus
DE 10 2009 018 298 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Erfassen eines eingestellten Hubvolumens einer hydrostatischen Kolbenmaschine bekannt. Die Erfassung der Position des Stellelements (Servokolben) erfolgt mit einem Drehwinkelsensor. Der Drehwinkelsensor ist über einen exzentrisch in einer Welle aufgenommenen Kugelzapfen als Übertragungselement mit dem Stellkolben der hydrostatischen Kolbenmaschine verbunden. Der Kugelzapfen greift in eine schräg zur Bewegungsrichtung des Stellkolbens verlaufende Nut ein. Eine Längsverschiebung des Stellkolbens führt somit zu einer exzentrischen Drehung des Kugelzapfens um die senkrecht zur Stellkolbenachse stehende Sensorachse, was vom Sensor erfasst wird.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Erfassung des Schwenkwinkels ist die unzureichende Genauigkeit der Schwenkwinkelbestimmung sowie die Baugröße der Vorrichtung. Bei den bekannten Anwendungen mit einem Schwenkelement, welches die translatorische Bewegung des Stellkolbens in eine Rotationsbewegung am Sensor umwandelt, ist zudem ein relativ großer Bauraum erforderlich, der quer zur Translationsrichtung des Stellkolbens verläuft und für die Bewegungsfreiheit des Schwenkhebels benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Servoverstelleinrichtung mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Position des Servokolbens, bei welcher der Bauraum reduziert und die Messgenauigkeit erhöht ist. Die zur Bestimmung der Position des Servokolbens eingesetzte Vorrichtung soll dabei einfach in ihrem Aufbau, robust und kostengünstig herstellbar sein. Des Weiteren soll eine einfache Zugänglichkeit für den Wartungs- bzw. Reparaturfall erzielt werden, bei einer gleichzeitig hohen Lebensdauer.
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Die Aufgabe wird durch eine Servoverstelleinrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Servoverstelleinrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nach der Erfindung steht ein Endbereich des Servokolbens mit einem Rotationsbauteil in Eingriff, das sich in Richtung der Längsachse des Servokolbens erstreckt und an einem ersten Ende einen Drehgeber aufweist. Dabei ist das Rotationsbauteil unverschieblich jedoch drehbar bezüglich der Längsachse des Servokolbens im Servozylinder angeordnet und mit einem zweiten Ende am Servokolben gelagert. Über ein Übertragungsbauteil ist das Rotationsbauteil so in Längsrichtung des Servokolbens zwangsgeführt, dass eine Längsverschiebung des Servokolbens eine Drehbewegung des Rotationsbauteils um die Längsachse des Servokolbens bewirkt und der Drehsensor eine Verdrehung des Drehgebers erfassen kann.
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Die Umwandlung der linearen Verschiebung des Servokolbens in eine vom Drehsensor erfassbare Drehung des Drehgebers erfolgt nach der Erfindung dadurch, dass der Servozylinder und das Rotationsbauteil über das Übertragungsbauteil mechanisch gekoppelt sind. Das Übertragungsbauteil ist hierzu in einer Führungsbahn gleitend zwangsgeführt. Durch die Formgebung der Führungsbahn, die entweder am Servokolben oder am Rotationsbauteil ausgebildet sein kann, kann das Verhältnis von Verschiebungsstrecke des Servokolbens zu einer Änderung des Drehwinkels vorgegeben werden. Die Führungsbahn ist generell schraubenförmig in Art einer Wendel ausgebildet, wobei die Steigung der Wendel variabel sein kann. Das Übertragungsbauteil kann in Ausführung der Erfindung fest mit dem generell gegen Verdrehen gesicherten Servokolben verbunden sein. Bei dieser Bauweise ist die Führungsbahn am Rotationsbauteil ausgebildet oder wird durch dessen Formgebung vorgegeben. Alternativ hierzu kann die Führungsbahn auch an der Außenseite oder im Inneren des Servokolbens liegen. In diesem Fall ist das Übertragungsbauteil fest mit dem Rotationsbauteil verbunden.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung zur Erfassung der Position des Servokolbens an mechanischen Elementen lediglich ein Rotationsbauteil und ein Übertragungsbauteil erfordert, die unmittelbar im Servozylinder und/oder am Servokolben gelagert sind und sich in deren Längsrichtung erstrecken und eine Drehbewegung des Rotationsbauteils um die Längsachse des Servokolbens erfolgt. Die Lagerung des Rotationsbauteils im Servozylinder kann auf einfache Weise beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Außendurchmesser des Rotationsbauteils zumindest in einem begrenzten Bereich mit einem geringen Spiel an den Innendurchmesser des Servozylinders angepasst ist. Ein Anschlag im Servozylinder sorgt für eine Sicherung gegen axiales Verschieben des Rotationsbauteils, ohne dessen Drehbarkeit um die Längsachse des Servozylinders bzw. -kolbens zu behindern. Hierdurch ergibt sich ein einfacher und robuster Aufbau der Vorrichtung. Raumfordernde und empfindliche Bauteile, wie seitliche, senkrechte oder exzentrisch gelagerte Hebel, Umlenkungen oder Gestänge, wie sie beim Stand der Technik vorhanden sind, entfallen.
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Die Lagerung des Rotationsbauteils am Servokolben ist nach der Erfindung derart, dass die beiden Bauteile relativ zueinander überlappend verschiebbar sind. Hierbei kann das Rotationsbauteil in einer beispielhaften Ausführungsform als Hülse den Servokolben an dessen Außenseite umgeben und auf diesem geführt gleiten. Alternativ kann das Rotationsbauteil als Stange ausgebildet sein, die in das ausgehöhlte Innere des Servokolbens eintaucht. In allen Ausführungsformen sind das Rotationsbauteil und der Servokolben so ausgebildet, dass sich die beiden Bauteile überlappen, bzw. ineinander verschieben lassen. Beispielsweise tritt bei einer maximal möglichen Ausschwenkung des Servokolbens in eine Richtung die größte Überlappung in Längsrichtung des Servokolbens auf. Entsprechend tritt bei einer Verschiebung des Servokolbens in die entgegengesetzte andere Maximalstellung die geringste Überschneidung auf.
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Bei einer zweiseitig verstellbaren Hydraulikmaschine ist der Servokolben in der Nullstellung, wenn die Hydraulikmaschine kein Förder- bzw. Schluckvolumen aufweist. Gleichzeitig ist der Servokolben in dieser Nulllage beispielsweise auf halben maximalen Überschneidungsweg mit dem Rotationsbauteil, sodass bei einer Verschiebung des Servokolbens in eine Richtung die Überschneidung vergrößert und bei einer Verschiebung in die andere Richtung die Überschneidung verringert wird. Bei einem Durchfahren des halben Verschiebeweges des Servokolbens im Servozylinder wird das Rotationsbauteil bevorzugt um einen Winkel kleiner gleich 180° gegenüber der Nulllagenstellung verdreht, sodass über den gesamten Verschiebeweg die Verdrehung des Rotationsbauteils kleiner gleich 360° ist. Damit wird eine eindeutige Zuordnung eines bestimmten Drehwinkels zu einer konkreten Servokolbenposition erreicht. Selbstredend ist auch eine hiervon abweichende Ausgestaltung der Schwenkwinkelbereiche vom Erfindungsgedanken umfasst, solange bei einer Verschiebung des Servokolbens längs seiner Längsachse eine Verdrehung des Rotationsbauteils um die Längsachse erfolgt.
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Bei einseitig verstellbaren Hydraulikmaschinen ist der Servokolben beispielsweise bei voll ausgeschwenkter Hydraulikmaschine, bei der die Hydraulikmaschine auf maximales Förder- bzw. Schluckvolumen eingestellt ist, mit dem Rotationsbauteil in maximal überlappenden Stellung. In der komplementären Stellung, also bei minimalen Förder- bzw. Schluckvolumen ist erfindungsgemäß die Überlappung von Servokolben und Rotationsbauteil beispielsweise minimal, wobei das Rotationsbauteil in dieser minimalen Hydraulikmaschinenbetriebseinstellung in einer gegenüber der maximalen Betriebsstellung um bevorzugt nahezu 360° verdrehten Drehposition ist. Nahezu 360° bedeutet dabei, dass ein Gesamtdrehwinkel kleiner als 360° vom Rotationsbauteil bei Überstreichen des maximalen Verschiebeweges des Setrvokolbens durchlaufen wird. Somit ist in dieser Ausführungsform jeder Position des Servokolbens im Servozylinder eindeutig ein Drehwinkel des Rotationsbauteils zuordbar. Ist die Gesamtdrehbarkeit des Rotationsbauteils größer als 360° – was vom Erfindungsgedanken umfasst ist – so kann beispielsweise über die Bestimmung der Winkeländerung zu einer zuvor bekannten Servokolbenposition die neue Servokolbenposition bestimmt werden.
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Die erfindungsgemäße überlappende Anordnung des Servokolbens und des Rotationsbauteils in Längsrichtung des Servokolbens bzw. des Servozylinders nimmt im Wesentlichen im Servozylinder lediglich einen Bereich ein, der ohnehin von einem Ende des Servokolbens überstrichen wird. Hierdurch ergibt sich ein besonders geringer Platzbedarf, da nur für den Drehgeber am ersten Ende des Rotationsbauteils ein kleiner, in axialer Fortsetzung des Servozylinders, notwendiger Bauraum erforderlich ist. Greift das Rotationsbauteil in eine Bohrung im Servokolben ein, kann zudem der Durchmesser des Servozylinder unverändert bleiben. Bei einer Ausführung des Rotationsbauteils als Hülse, die den Servokolben in einem Endbereich umfasst, bedingt die Wandstärke der Hülsenwand eine geringfügige Erhöhung des Durchmessers des Servozylinders. In einer weiteren Ausführungsform weist der Servokolben einen in Längsrichtung des Servokolbens ausgebildeten Fortsatz auf, an dem das zweite Ende des Rotationsbauteils gelagert ist. Gleichzeitig kann der Fortsatz in einer Fortführung des Servozylinders in einer Servozylinderbohrung gelagert sein, die in Längsrichtung des Servokolbens ausgebildet ist. Eine solche Servokolbenführung, die im Sinne des Erfindungsgedankens unter dem Begriff Servozylinder fällt, ist dabei bevorzugt ein nicht mit Druckfluid beaufschlagter Bereich innerhalb der Verstellvorrichtung.
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Die Bauteile sind so für eine Wartung oder für Reparaturen leicht zugänglich, da sie im Inneren des Servozylinders angeordnet sind und sich in dessen Längsrichtung erstrecken. Sie können also zusammen mit dem Servokolben aus dem Servozylinder entfernt oder in diesen eingesetzt werden. Insbesondere bei der Ausführungsform, bei der das Rotationsbauteil in den Servokolben eingreift, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Servokolbenposition in bereits vorhandene Servo-Verstelleinrichtungen von Hydraulikmaschine nachgerüstet werden, ohne dass hierbei wesentliche bauliche Veränderungen am bestehenden Servozylinder vorgenommen werden müssen.
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Da das Rotationsbauteil gemäß der Erfindung über eine Zwangsführung unmittelbar mit einer Verschiebung des Steuerkolbens gekoppelt ist, ist ein konstruktiv vorgebbarer linearer oder nicht-linearer Zusammenhang zwischen einer Verschiebung des Steuerkolbens und einem Drehwinkel des Drehgebers gegeben. Diese Möglichkeit ist durch die frei wählbare Form von Führungsbahnen oder Führungselementen, über welche die Verschiebung des Steuerkolbens auf das Rotationsbauteil übertragen wird, eröffnet. Die erfindungsgemäße unmittelbare und direkte Übertragung der translatorischen Bewegung des Steuerkolbens in die Drehung des mit dem Rotationsbauteil fest verbundenen Drehgebers gewährleistet hierbei eine hohe Meßgenauigkeit.
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Zur Umwandlung der Längsbewegung des Servokolbens in eine vom Drehsensor erfassbare Drehbewegung ist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Endbereich des Servokolbens von einer Hülse umgeben, die hier das Rotationsbauteil darstellt. Die Hülse ist um die Längsachse des Servokolbens relativ zu diesem drehbar gelagert. Ferner ist die Hülse in Längsrichtung des Servokolbens unbeweglich im Servozylinder fixiert, so dass ein Ende des Servokolbens je nach Vorgabe der Steuereinrichtung der Hydraulikmaschine mehr oder weniger tief in die Hülse eintauchen kann. Die Fixierung der Hülse gegen eine Längsverschiebung erfolgt beispielsweise durch einen Anschlag an einem oder beiden Enden der Hülse. An einem dem Servokolben abgewandten Ende weist die Hülse einen Drehgeber für den Drehsensor auf. Die Hülse ist beispielsweise mit einem schräg zu ihrer Längsachse verlaufenden Schlitz versehen und ist über ein Übertragungsbauteil derart mit dem Servokolben verbunden, dass bei einer rotationsfreien Längsverschiebung des Servokolbens die Hülse samt Drehgeber um ihre Längsachse verdreht wird, so dass der Sensor eine Verdrehung des Drehgebers erfasst. Über die Erfassung der Verdrehung des Drehgebers ist die Längsverschiebung des Servokolbens bzw. die relative Position des Servokolbens im Servozylinder bestimmbar.
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Erfindungsgemäß ist der Servokolben über eine Zwangsführung derart mit der Hülse verbunden, dass eine Drehung der Hülse proportional zur Längsverschiebung des Servokolbens erfolgt. Alternativ ist die Drehung der Hülse lediglich über Teilbereiche proportional oder nicht proportional zur Längsverschiebung des Servokolbens. Dies ist beispielsweise über die jeweilige Steigung des Schlitzes relativ zur Längsachse der Hülse vorgebbar. Durch eine derartige nicht proportionale Ausbildung sind Bereiche von erhöhtem Interesse, die beispielsweise durch geringe Auslenkungen der die Förderleistung bestimmenden Elemente der Hydraulikmaschine gegeben sein können, höher auflösbar als andere Bereiche.
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Die Kopplung zwischen dem Servokolben und der als Rotationsbauteil dienenden Hülse, d. h. die Umsetzung der Längsbewegung des Servokolbens in eine Drehbewegung der Hülse, erfolgt in diesem ersten exemplarisch beschriebenen Ausführungsbeispiel beispielsweise über einen Mitnehmerzapfen am Servokolben, der als Übertragungsbauteil dient. Der Mitnehmerzapfen greift in einen Schlitz der Hülse ein. Der Schlitz ist dabei schräg zur Längsrichtung der Hülse angeordnet. Ein Grundkörper des Mitnehmers ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise stirnseitig am Servokolben befestigt. Hierfür ist zur Ausrichtung der Drehposition des Mitnehmers zum Servokolben beispielsweise stirnseitig am Servokolben eine Nut ausgebildet. Die Nut ist passgenau zum Grundkörper des Mitnehmers gefertigt. Somit kann die Relativposition des Mitnehmers in Rotationsrichtung bei der Montage in einfacher Art und Weise sichergestellt werden.
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Der Mitnehmerzapfen ragt für die Mitnehmer/Schlitz-Verbindung über den Außendurchmesser des Servokolbens hinaus, so dass er in den Schlitz in der Hülse eingreift. Der Schlitz ist vorzugsweise gerade, d. h. mit zwei parallelen, geraden Ebenen als Seitenflächen ausgebildet. Dadurch wird eine proportionale Drehung der Hülse zur Längsverschiebung des Servokolbens, erreicht. Über den Winkel α, d. h. die Verdrehung des Schlitzes in Bezug auf die Längsrichtung des Servokolbens, ist die Proportionalität der Verdrehung festgelegt. In einer alternativen Ausbildung des Schlitzes kann dieser auch über seine Längenbereiche mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln α ausgebildet sein. Der Schrägungswinkel ist im Sinne der Erfindung auch kontinuierlich veränderlich ausbildbar, d. h. beispielsweise als S-Form.
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Die Hülse ist vorzugsweise zylindrisch und insbesondere konzentrisch zum Servokolben ausgebildet und angeordnet. Die Hülse ist dabei beispielsweise über entsprechende Passungen relativ zum Servokolben und zum Gehäuse, d. h. zum Servozylinder, drehbar gelagert. Die Schmierung dieser Dreh-Lagerung erfolgt vorzugsweise über Leckageöl aus dem Hochdruck- und/oder Steuerkreis der Hydraulikmaschine.
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Die Hülse weist vorzugsweise eine Seitenwand, bzw. Mantelfläche, und einen Hülsenboden auf. Der Hülsenboden verschließt die Hülse an einer Seite, so dass sie im Wesentlichen becherförmig ausgebildet ist. Am Hülsenboden ist weiter vorzugsweise der Drehgeber angeordnet. Der Drehgeber ist dabei an der Außenseite der becherförmigen Hülse, d. h. der dem Servokolben abgewandten Seite angeordnet. Der Drehgeber ist beispielsweise mit der Hülse, also mit dem Rotationsbauteil, verschraubt, verklebt, formschlüssig verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehgeber ein Magnet. In diesem Fall ist der Drehsensor beispielsweise als Magnetfeldsensor, insbesondere als Hallsensor ausgebildet. Alternativ sind jedoch induktive oder kapazitive Sensoren einsetzbar, welche die Drehposition des Drehgebers erfassen. Zur Durchführung der Erfindung sind selbstverständlich auch Drehgeber und Drehsensoren einsetzbar, die auf nichtmagnetischen Meßverfahren basieren. Beispiele hierfür sind optische Sensoren oder elektrische Messfühler.
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Vorzugsweise ist der Magnet des Drehgebers in Teilbereichen als kreisrunder Magnet konzentrisch am ersten Ende des Rotationsbauteils angeordnet. Vorzugsweise ist dabei der Magnet mit einem halbkreisförmigen Pluspol und einem halbkreisförmigen Minuspol ausgebildet. Alternativ können auch C-förmige oder stabförmige Magnete am Rotationsbauteil angeordnet werden.
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Der Drehsensor ist vorzugsweise benachbart zum Drehgeber am Rotationsbauteil im bzw. am Servozylinder angeordnet. Der Sensor ist dabei erfindungsgemäß drehfest im Gehäuse, insbesondere drehfest zum Rotationsbauteil der Hydraulikmaschine befestigt. Die Messebene des Sensors ist vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Rotationsbauteils bzw. des Servozylinders, d. h. senkrecht zur Servokolbenlängsachse, angeordnet. Somit baut der Sensor im Wesentlichen in Längsrichtung des Servokolbens auf, ohne den Durchmesser der Servoverstelleinheit wesentlich zu vergrößern. Vom Sensor sind vorzugsweise unterschiedliche Werte/Größen, wie beispielsweise die Verdrehung des Rotationsbauteils, die Verdrehgeschwindigkeit des Rotationsbauteils und/oder die Beschleunigung des Rotationsbauteils erfassbar. Der Sensor ist weiter vorzugsweise derart ausgebildet, dass das ausgegebene Signal der Drehposition des Rotationsbauteils oder gegebenenfalls die Drehgeschwindigkeit des Rotationsbauteils bspw. proportional zum Ausgangssignal ist, d. h. proportional zum Verschiebeweg, bzw. der Verschiebegeschwindigkeit des Servokolbens. Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei einer konstant schrägen Ausbildung des Schlitzes in der Hülse (Rotationsbauteil) die Verdrehung der Hülse und somit das Signal des Drehsensors direkt proportional zur Verschiebung des Servokolbens.
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Selbstverständlich fällt auch die kinematische Umkehr dieser Bauform unter den Erfindungsgedanken. So kann beispielsweise der Servokolben mit einer schräg zu seiner Längsachse etwa schraubenförmig verlaufenden Nut auf seiner äußeren Oberfläche versehen sein, in welche ein aus der Innenwandung der Hülse ragendes Übertragungselement in Form eines Mitnehmerzapfens oder Stifts eingreift.
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Der Servokolben ist beispielsweise in einem Endbereich von der Hülse umgeben, in welchem sich keine Druckkammer befindet, d. h. die Hülse und der Sensor sind außerhalb eines druckbeaufschlagten Bereiches des Servozylinders bspw. in einer Verlängerung der Servozylinderbohrung angeordnet. Vorzugsweise ist das Rotationsbauteil in Kolbenlängsrichtung überlappend um oder im Servokolben innerhalb des Servozylinders angeordnet. Insofern kann der von dem Rotationsbauteil umschlossene Bereich des Servokolbens auch als teleskop-artige Kolbenverlängerung bezeichnet werden. Zumindest liegt im Bereich des ersten Endes des Rotationsbauteils am Servokolben kein Steuerdruck an. Es tritt dort im Bereich der Servokolbenführung bevorzugt lediglich Leckageflüssigkeit mit Gehäusedruck auf.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das den Drehgeber tragende Rotationsbauteil als Stange ausgebildet, die in eine Bohrung an einer Stirnseite des Servokolbens eingreift und in dieser gelagert ist. Der Servokolben ist bezüglich der Stange längsverschieblich und weist hierzu bevorzugt eine Sackbohrung auf, in welche die Stange mehr oder weniger tief eindringen kann. Bei dem Eindringen der Stange in den Servokolben bei dessen Längsverschiebung wird die Stange über ein oder mehrere Übertragungselemente in Drehung versetzt, die mit der jeweiligen Position des Servokolbens relativ zum Servozylinder gekoppelt ist. Die Stange selbst ist im Gehäuse der Servoverstelleinrichtung drehbar aber ortsfest gelagert und trägt an ihrem der Servokolben abgewandten ersten Ende den Drehgeber, dessen Drehung vom Drehsensor erfassbar ist. Der Drehgeber kann hierbei so beschaffen sein, wie zuvor beschrieben ist.
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In einer weiteren konkreten Ausführungsform dieses Wirkprinzips weist die Stange einen nicht kreisrunden, bevorzugt rechteckigen oder ovalen Querschnitt auf. Unter rechteckig sind hier auch generell rechteckige Querschnitte mit abgerundeten Ecken gemeint. Die Stange ist zudem um ihre Längsachse verdreht, so dass sie die Form einer Wendel besitzt. Die Steigung dieser Wendel kann im Rahmen der Erfindung konstant oder variabel sein, wodurch sich eine direkt proportionale oder eine variable Umsetzung der Kolbenverschiebung in eine Drehung des Drehgebers ergibt. Die Stange ist mit ihrem dem Drehsensor abgewandten Ende in einer Blende an der Stirnseite des Servokolbens gelagert, wobei die Form der Blendenöffnung komplementär zum Querschnitt der Stange ist. Bei einem Verschieben des Servokolbens ohne Drehung längs der Stange zwingt die Blende die Stange wegen der Formschlüssigkeit zwischen Blende und Wendel zu einer Drehung, die durch die Steigung der Wendel bestimmt ist. Diese Drehung wird, wie schon beim vorigen Ausführungsbeispiel erläutert wurde, vom Drehsensor erfasst.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung trägt die Stange an ihrem dem Drehgeber abgewandten zweiten Ende einen bevorzugt in Form einer Scheibe oder Verdickung angeordneten Abschnitt, welcher an seiner Peripherie eine oder mehrere nutförmige Ausnehmungen aufweist. Diese Ausnehmungen sind generell exzentrisch zur Längsachse der Stange, deren den Drehgeber tragendes erstes Ende im Gehäuse der Servoverstelleinrichtung drehbar jedoch ortsfest gelagert ist. Im Servokolben ist beispielsweise eine Sackbohrung ausgebildet, deren Wandung mit in Längsrichtung verlaufenden Vorsprüngen versehen ist. Die Anzahl dieser Vorsprünge entspricht bevorzugt derjenigen der Ausnehmungen an der Stange. Der Querschnitt der Vorsprünge ist komplementär zu derjenigen der Ausnehmungen an der Stange, so dass sie im formschlüssigen aber verschieblichen Eingriff miteinander stehen. Die Vorsprünge verlaufen im Inneren der Bohrung schräg zu deren generellen Längsrichtung, so dass sie generell einen wendelförmigen Verlauf haben.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel versetzt eine Verschiebung des Servokolbens, wegen des formschlüssigen Eingriffs zwischen den Ausnehmungen und den Vorsprüngen die Stange mit dem Drehgeber in Drehung, was vom Drehsensor erfasst wird. Es versteht sich, dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Anordnung denkbar ist, bei der die Zuordnung von Ausnehmungen und Vorsprüngen am Rotationsbauteil bzw. am Servokolben vertauscht ist. So kann die Innenwandung der Bohrung im Servokolben mit zumindest einer wendelförmig längsverlaufenden Nut versehen sein, in welche zumindest ein Vorsprung an einem Endabschnitt des Rotationsbauteils bzw. der Stange eingreift.
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Denkbar ist zudem, dass das Rotationsbauteil und/oder das Übertragungsbauteil aus einem Kunststoff hergestellt sind. Der Kunststoff muss hierzu eine ausreichende mechanische Festigkeit und eine Beständigkeit gegen hydraulische Fluide besitzen. Diese Ausgestaltung ist von besonderem Vorteil beim Ersatz der Bauteile wegen Verschleiß oder bei einer Nachrüstung einer bestehenden Hydraulikmaschine mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Position des Servozylinders nach der Erfindung in Erwägung zu ziehen. Bevorzugt werden jedoch auf Grund ihrer Materialeigenschaften metallische Werkstoffe eingesetzt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsbeispielen, welches in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: eine Hydraulikmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung in einer Schnittdarstellung,
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2: eine Schrägansicht eines Servokolbens mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Position des Servokolbens gemäß 1,
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3: einen Servokolben zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung nach den 1 und 2,
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4: einen Servokolben mit Rotationsbauteil und Übertragungsbauteil einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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5: einen Längsschnitt durch das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel,
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6: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7: einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach 6, und
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8: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt beispielhaft eine hydraulische Schrägachsenmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Servoverstelleinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die Verstelleinrichtung 2 umfasst einen beidseitig mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbaren Servokolben 9, welcher entlang seiner Längsachse 7 in einem Servozylinder 8 verschieblich angeordnet ist. Der Servokolben 9 unterteilt den Servozylinder 8 in mit Druck beaufschlagbare Druckkammern. Über nicht gezeigte Leitungen können die beiden Druckkammern zur Änderung des Schluckvolumens mit Hydraulikdruck beaufschlagt werden. Wie in 1 gezeigt, ist die Zylindertrommel der Schrägachsenmaschine 1 über eine Abschlussplatte 4 mit dem Servokolben 9 gekoppelt. Dabei befindet sich die Zylindertrommel in einer Nullhubstellung, wenn sich der Servokolben 9 in einer Nullstellung beispielsweise mittig im Servozylinder bzw. der Servozylinderbohrung 8 befindet. Die Abschlussplatte 4 ist über eine Lagerung im Gehäuse der Schrägachsenmaschine 1 gelagert. Der Servokolben 9 ist über eine Kopplung 3 mit der Abschlussplatte 4 verbunden. Über eine Verschiebung des Servokolbens 9 ist die Abschlussplatte 4 und somit die Zylindertrommel aus ihrer Nulllage verschwenkbar. Dadurch lässt sich das Hubvolumen und somit das Förder- oder Schluckvolumen der Schrägachsenmaschine 1 einstellen.
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In einem Endbereich ist der Servokolben 9 von einer im Servozylinder 8 angeordneten Hülse 20, die in diesen Ausführungsbeispiel das Rotationsbauteil 20 bildet, umgeben. Die Hülse 20 ist beispielsweise im Wesentlichen becherförmig ausgebildet und umgibt den Servokolben 9 stirnseitig mit einem Hülsenboden 21. Die Hülse 20 ist sowohl gegenüber dem Servokolben 9 als auch gegenüber dem Servozylinder 8 der Verstelleinrichtung 2 drehbar gelagert, jedoch unverschieblich im Servozylinder 8 festgelegt. Die drehbare Lagerung erfolgt beispielsweise über eine entsprechende Passung, wobei zur Schmierung z. B. Leckageöl verwendet wird. An der Außenseite des Hülsenbodens 21, abgewandt vom Servokolben 9, ist ein Magnet 5 als Drehgeber 32 angeordnet. Gegenüberliegend zum Magneten 5 ist im Gehäuse 6 der Verstelleinrichtung 2 ein Drehsensor 30 angeordnet. Über den Drehsensor 30 ist die Drehposition des Magneten 5 beispielsweise induktiv bestimmbar.
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In 2 ist der Servokolben 9 aus 1 ohne umgebendes Gehäuse 6 der Verstelleinheit 2 und somit ohne Servozylinder 8 gezeigt. Der Servokolben 9 ist teilweise von der Hülse 20 umgeben. An der Außenseite des Hülsenbodens 21 ist mittels zweier Schrauben der Magnet 5 als Drehgeber 32 angeordnet. Der Magnet 5 ist kreisförmig und beispielsweise derart ausgebildet, dass eine Halbkreisfläche der Pluspol und die andere Halbkreisfläche der Minuspol ist.
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In der Hülsenwand ist ein Schlitz 23 ausgebildet. Der Schlitz 23 verläuft schräg zur Längsrichtung der Hülsenwand bzw. zur Längsachse 7 des Servokolbens 9, d. h. ist zur Längsrichtung der Hülse 20 unter einem Winkel α geneigt. Die beiden unter dem Winkel α geneigten Seitenkanten des Schlitzes 23 sind als parallel zueinander angeordnete Flächen bzw. Ebenen ausgebildet. In den Schlitz 23 greift ein am Servokolben 9 angeordneter Mitnehmerzapfen 12 ein, der in dieser Ausführungsform das Übertragungsbauteil ausbildet. Der Mitnehmerzapfen 12 ist in einer Nut 14 am Servokolben 9 angeordnet (s. 3). Über die Anordnung in der Nut 14 ist die Drehposition des Mitnehmerzapfens 12 relativ zum Servokolben 9 festgelegt. Der Mitnehmerzapfen 12 ragt radial über die Mantelfläche des Servokolbens 9 hinaus, so dass er in den Schlitz 23 der Hülse 20 eingreift.
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Die Position des Servokolbens 9 gibt die Ausschwenkung der Zylindertrommel und somit das Schluckvolumen der Schrägachsenmaschine 1 vor. Der Servokolben 9 ist entlang seiner Längsrichtung 7 verschieblich, jedoch bezüglich einer Rotation um die Längsachse 7 gesperrt im Gehäuse 6 gelagert. Die Hülse 20 hingegen ist in ihrer Axialrichtung bzw. in Längsrichtung 7 des Servokolbens 9 im Servozylinder 8 fixiert, jedoch um die Längsachse 7 drehbar gelagert. Somit führt eine Längsverschiebung des Servokolbens 9 zu einer definierten Verdrehung der Hülse 20. Über die Verdrehung der Hülse 20 wird der Drehgeber 32, hier der Magnet 5, ebenfalls verdreht. Die Verdrehung des Magneten 5 ist über den Drehsensor 30 erfassbar. Somit kann über den Sensor 30 die Drehposition des Magneten 5 und damit, beispielsweise über den Winkel α, die Verschiebeposition des Servokolbens 9 entlang seiner Längsrichtung 7 bestimmt werden. Dementsprechend ist auch die Verschwenkung der Zylindertrommel und damit das Förder- bzw. Schluck-Volumen der Hydraulikmaschine 1 ermittelbar. Die Drehposition des Magneten 5 ist gemäß den Ausführungsbeispielen, die in den 1 bis 7 dargestellt sind, proportional zur Verschiebung des Servokolbens 9. Anhand 2 ist nachvollziehbar, dass ein gekrümmter Verlauf des Schlitzes 23 einen zur Verschiebung des Servokolbens 9 nicht proportionalen Drehwinkel der Hülse 28 zur Folge hat. Hierbei ist die jeweilige Steigung des Schlitzes 23 maßgebend für den örtlich variablen Zusammenhang zwischen der Verschiebung des Servokolbens 9 und der inkrementellen Änderung des Drehwinkels.
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In 4 ist ein Servokolben 9 mit einem Rotationsbauteil 20 eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Schrägansicht gezeigt. Das Rotationsbauteil 20 ist hier als Stange 20 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet, die um ihre Längsachse in sich verdreht ist, also wendelförmig ausgeformt ist. An einem ersten Ende 21 der Stange 20 ist ein Magnet 5 als Drehgeber 32 angeordnet. Das andere zweite Ende 22 der Stange 26 dringt über eine Blendenöffnung 18 einer scheibenförmigen Blende 17 – die in diesem Ausführungsbeispiel das Übertragungsbauteil 12 darstellt – in das Innere des Servokolbens 9 ein. Der Servokolben 9, an dessen einer Stirnseite die Blende 12 eingefügt ist, ist mit einer hier nicht erkennbaren Bohrung 10 versehen (siehe 5). Die Blende 12 ist beispielsweise mittels eines Spannrings 37 am Servokolben 9 fixiert. Die Form der Blendenöffnung 18 ist im Wesentlichen komplementär zum Querschnitt der Stange 26 und weist beispielsweise diesem gegenüber ein geringes Übermaß auf. Die Stange 26 kann deshalb durch die Blendenöffnung 18 gleiten, wenn sich der Servokolben 9 translatorisch bewegt. Durch den formschlüssigen Kontakt zwischen der Stange 26 und der Blendenöffnung 18 wird die im Servozylinder 8 drehbar jedoch translatorisch unverschiebbar gelagerte Stange 26 wegen ihrer Wendelung gedreht, da die Servokolben-feste Blendenöffnung 18 im drehfesten Servokolben 9 stets dieselbe Orientierung aufweist. An dieser Drehung nimmt der Magnet 5 als Drehgeber 32 teil, was vom hier nicht dargestellten Drehsensor 30 (siehe 1) erfasst wird. 5 zeigt einen Längsschnitt durch das in 4 gezeigte Detail des Ausführungsbeispiels nach 4. Die Bezugszeichen in 5 entsprechen denjenigen in den übrigen Figuren und insbesondere denen in 4.
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In 6 ist ein Servokolben 9 mit einem Rotationsbauteil 20 eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Schrägansicht gezeigt. Das Rotationsbauteil 20 ist hier als Stange 26 mit einem runden Querschnitt ausgebildet, die an dem zweiten Ende 22, das dem Servokolben 9 zugewandt ist, einen Abschnitt 15 größeren Durchmessers aufweist, der in dieser Ausführungsform das Übertragungsbauteil 12 bildet. Der Abschnitt 15 ist hier mit mehreren, nutförmigen Ausnehmungen 33 versehen. Diese Ausnehmungen 33 sind in Bezug auf die Längsachse exzentrisch angeordnet. Der Servokolben 9 ist mit einer Bohrung 10 in Form eines Sackloches versehen, deren Innenwandung 11 mit einer Profilierung 34 versehen ist (vgl. 7). Die Form der Profilierung 34 ist komplementär zu derjenigen des Abschnitts 15, derart, dass die Ausnehmungen 33 formschlüssig in die Profilierung 34 eingreifen. Es versteht sich, dass zwischen den Ausnehmungen 33 und der Profilierung 34 ein geringes Spiel vorhanden sein muss, damit der Servokolben 9 über den Abschnitt 15 der Stange 26 gleiten kann. Die einzelnen Vorsprünge der Profilierung 34 verlaufen in Längsrichtung der Bohrung 10 verdrillt unter einen Winkel zur Längsachse der Bohrung 10, die mit der Längsachse 7 des Servokolbens 9 identisch ist. Die Bohrung 10 des Servokolbens 9 weist somit eine Innenwandung 11 mit einer in Längsrichtung wendelförmigen Profilierung 34 auf, was insbesondere in 7 zu sehen ist.
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Bei einem Verschieben des drehgesicherten Servokolbens 9 gegenüber der translatorisch ortsfesten Stange 26 zwingt die gewendelte Profilierung 34 über den formschlüssigen Eingriff mit den Ausnehmungen 33 im Abschnitt 15 die Stange 26 zu einer Drehung. Diese Drehung erfasst auch den mit der drehbaren Stange 26 am ersten Ende 21 fest verbundenen Drehgeber 32, der hier, wie auch in den vorigen Ausführungsbeispielen, beispielsweise und der Einfachheit halber als Magnet 5 vorgesehen ist.
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In 7 ist ein Längsschnitt durch die in 6 gezeigte Bauform dargestellt, wobei wiedrum dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet sind. In der 7 ist die gewendelte Profilierung 34 zusehen, die sich in Längsrichtung 7 des Servokolbens 9 erstreckt. Bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Profilierung 34 an der Innenwandung einer Buchse 19 ausgebildet, welche in die Bohrung 10 im Servokolben 9 eingebracht ist. Sie ist z. B. durch einen Spannring 37 im Servokolben 9 fixiert und gegen Verdrehen gesichert.
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Nachvollziehbar ist die Anzahl der Ausnehmungen 33 am Abschnitt 15 auf zumindest Eins und nach oben hin nicht beschränkt. Analoges gilt für die den Formschluss der Ausnehmungen 33 bildenden bezüglich der Längsachse 7 verdrillten Profile der Profilierung 34. So ist zur Ausführbarkeit der vorliegenden Erfindung ein in die Bohrung 10 in Form eines gewendelten Steges eingebrachtes Profil, das in eine entsprechende Ausnehmung 33 im Abschnitt 15 eingreift ausreichend. Eine komplementäre, also im Wirkprinzip vertauschte Ausführungsform ist dabei genauso vorstellbar. Beispielsweise kann zumindest ein am Abschnitt 15 angeordneter Mitnehmerzapfen 12 in zumindest eine in der Bohrung 10 schraubenförmig eingebrachte Nut eingreifen, wodurch der bei einer Längsverschiebung des Servokolbens 9 zur Zwangsdrehung der als Stange 26 ausgebildeten Rotationsbauteils 20 notwendige Formschluss gegeben ist. Eine derartige Ausführungsform ist beispielshaft in 8 schematisch dargestellt, in der ein Längsschnitt durch einen Servokolben 9 mit einer der Bohrung aufnehmbaren Stange 26 als Rotationsbauteil 20. Ein mit einem Vorsprung ausgebildetes Übertragungsbauteil 12 gleitet bei einer Längsverschiebung des Servokolbens 9 in einer als Nut 35 ausgebildeten Profilierung 34, die um die Längsachse 7 des Servokolbens 9 schraubenlinien-artig in der Bohrung 10 ausgeformt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikmaschine
- 2
- Servoverstelleinrichtung
- 3
- Kopplung
- 4
- Abschlussplatte
- 5
- Magnet
- 6
- Gehäuse der Servoverstelleinrichtung
- 7
- Längsachse
- 8
- Servozylinder/Servozylinderbohrung
- 9
- Servokolben
- 10
- Bohrung
- 11
- Innenfläche
- 12
- Übertragungsbauteil/Mitnehmerzapfen/Blende
- 14
- Nut
- 15
- Abschnitt
- 18
- Blendenöffnung
- 19
- Buchse
- 20
- Rotationsbauteil/Hülse/Stange
- 21
- erstes Ende
- 22
- zweites Ende
- 23
- Schlitz
- 29
- Buchse
- 30
- Drehsensor
- 32
- Drehgeber
- 33
- Ausnehmung
- 34
- Profilierung
- 35
- Nut
- 37
- Spannring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10119236 C4 [0003]
- DE 102009018298 A1 [0004]
