DE102020203450A1 - Axial piston machine with controlled cylinder pressure and control panel adjusted by means of a regulator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine (10) mit einer bezüglich einer Drehachse (30) drehbaren Zylindertrommel (60), welche eine in Richtung der Drehachse (30) weisende Stirnfläche (63) aufweist, wobei die Stirnfläche (63) in Richtung der Drehachse (30) durch eine Kolben-Zylinder-Einheit (80) gegen eine Steuerfläche (54) drückbar ist, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit (80) hierfür mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist, wobei die Steuerfläche (54) drehfest anordenbar ist.
Erfindungsgemäß wird der Steuerdruck (85) über ein verstellbares Steuerventil (90) bereitgestellt, wobei das Steuerventil (90) derart an eine Steuervorrichtung (92) angeschlossen ist, dass es von der Steuervorrichtung (92) verstellbar ist, wobei die Steuervorrichtung (92) einen Regler (100) implementiert, dessen Stellgröße (101) die Einstellung des Steuerventils (90) beeinflusst.
The invention relates to an axial piston machine (10) with a cylinder drum (60) which can be rotated with respect to an axis of rotation (30) and has an end face (63) pointing in the direction of the axis of rotation (30), the end face (63) in the direction of the axis of rotation (30) ) can be pressed by a piston-cylinder unit (80) against a control surface (54), the piston-cylinder unit (80) being able to be acted upon with a control pressure for this purpose, wherein the control surface (54) can be arranged in a rotationally fixed manner.
According to the invention, the control pressure (85) is provided via an adjustable control valve (90), the control valve (90) being connected to a control device (92) in such a way that it can be adjusted by the control device (92), the control device (92) having a Controller (100) implemented, the manipulated variable (101) of which influences the setting of the control valve (90).
Description
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an axial piston machine according to the preamble of claim 1.
Aus der
Ein Vorteil der vorliegenden Axialkolbenmaschine besteht darin, dass die zwischen der Stirn- und der Steuerfläche auftretenden Leckagen unter allen Betriebsbedingungen minimal sind. Die Axialkolbenmaschine kann mit besonders hohen Drehzahlen und mit einem besonders hohen Druck betrieben werden.One advantage of the present axial piston machine is that the leakages occurring between the end face and the control surface are minimal under all operating conditions. The axial piston machine can be operated at particularly high speeds and at particularly high pressure.
Gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, dass der Steuerdruck über ein verstellbares Steuerventil bereitgestellt wird, wobei das Steuerventil derart an eine Steuervorrichtung angeschlossen ist, dass es von der Steuervorrichtung verstellbar ist, wobei die Steuervorrichtung einen Regler implementiert, dessen Stellgröße die Einstellung des Steuerventils beeinflusst. Die Axialkolbenmaschine ist vorzugsweise in Schrägscheibenbauweise ausgeführt, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit an der Triebwelle abgestützt ist. Die Axialkolbenmaschine kann auch in Schrägachsenbauweise ausgeführt sein. Das Steuerventil ist vorzugsweise elektrisch verstellbar. Die Steuervorrichtung umfasst vorzugsweise einen Digitalrechner, wobei der Regler digital implementiert ist. Der Regler ist vorzugsweise ein stetiger, linearer Regler, der höchst vorzugsweise zeitdiskret berechnet wird. Der Regler ist vorzugsweise ein PI-Regler.According to claim 1, it is proposed that the control pressure is provided via an adjustable control valve, the control valve being connected to a control device in such a way that it can be adjusted by the control device, the control device implementing a regulator whose manipulated variable influences the setting of the control valve. The axial piston machine is preferably designed in a swash plate design, the piston-cylinder unit being supported on the drive shaft. The axial piston machine can also have a bent axis design. The control valve is preferably electrically adjustable. The control device preferably comprises a digital computer, the controller being implemented digitally. The controller is preferably a continuous, linear controller which is most preferably calculated in a time-discrete manner. The controller is preferably a PI controller.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.Advantageous developments and improvements of the invention are specified in the dependent claims.
Es kann vorgesehen sein, dass der Steuerdruck an einen ersten Drucksensor angeschlossen ist, wobei der erste Drucksensor an die Steuervorrichtung angeschlossen ist, wobei eine Ist-Größe des genannten Reglers ein Messwert des ersten Drucksensors ist, wobei eine Soll-Größe des Reglers zumindest abhängig von einem Hochdruck der Axialkolbenmaschine wählbar ist. Es wäre auch denkbar, dass die Ist-Größe mit einem Sensor ermittelt wird, welcher unmittelbar die Dicke des hydrostatischen Schmierfilms zwischen der Stirnfläche und der Steuerfläche misst. Letztlich soll genau diese Dicke einen definierten Wert haben, so dass sich bei geringstmöglicher Leckage dennoch eine im Wesentlichen vollständige hydraulische Entlastung zwischen Stirn- und Steuerfläche ergibt. Ein derartiger Fluidfilm-Dicken-Sensor ist jedoch außerordentlich teuer. Mit dem vorgeschlagenen ersten Drucksensor, der wesentlich kostengünstiger ist, lässt sich ein vergleichbares Ergebnis erzielen, wenn der zugeordnete Sollwert wie vorgeschlagen gewählt wird.It can be provided that the control pressure is connected to a first pressure sensor, the first pressure sensor being connected to the control device, an actual variable of said controller being a measured value of the first pressure sensor, a target variable of the controller at least depending on a high pressure of the axial piston machine can be selected. It would also be conceivable that the actual size is determined with a sensor which directly measures the thickness of the hydrostatic lubricating film between the end face and the control surface. Ultimately, it is precisely this thickness that should have a defined value, so that with the least possible leakage there is still an essentially complete hydraulic relief between the end face and control surface. However, such a fluid film thickness sensor is extremely expensive. With the proposed first pressure sensor, which is significantly more cost-effective, a comparable result can be achieved if the assigned target value is selected as proposed.
Unter einer vollständigen hydraulischen Entlastung soll ein Zustand verstanden werden, bei dem zwischen der Stirn- und der Steuerfläche keinerlei mechanischer Kontakt besteht, wobei die dortige Druckkraft hydrostatisch über das in der Axialkolbenmaschine verwendete Druckfluid übertragen wird. Bei dem Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Die Axialkolbenmaschine hat vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Arbeitsanschluss, wobei eine Drehung der Zylindertrommel mit einem Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsanschluss einhergeht. Die Axialkolbenmaschine kann 4-Quadranten-fähig sein, d.h. sie kann sowohl mit zwei entgegengesetzten Drehrichtungen der Zylindertrommel und in jeder Drehrichtung mit jeweils zwei entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen betrieben werden, gleich, welche Drücke am ersten und am zweiten Arbeitsanschluss anliegen. Der Hochdruck ist der höhere Druck aus dem Druck am ersten Arbeitsanschluss und dem Druck am zweiten Arbeitsanschluss. Der Hochdruck ist vorzugsweise an einen zweiten Drucksensor angeschlossen. Der zweite Drucksensor ist vorzugsweise an die Steuervorrichtung angeschlossen.Complete hydraulic relief should be understood to mean a state in which there is no mechanical contact whatsoever between the end face and the control surface, the pressure force there being transmitted hydrostatically via the pressure fluid used in the axial piston machine. The pressure fluid is preferably a liquid and most preferably hydraulic oil. The axial piston machine preferably has a first and a second working connection, a rotation of the cylinder drum being accompanied by a fluid flow between the first and the second working connection. The axial piston machine can be 4-quadrant capable, i.e. it can be operated with two opposite directions of rotation of the cylinder drum and in each direction of rotation with two opposite flow directions, regardless of the pressures applied to the first and second working port. The high pressure is the higher pressure from the pressure at the first working connection and the pressure at the second working connection. The high pressure is preferably connected to a second pressure sensor. The second pressure sensor is preferably connected to the control device.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Steuervorrichtung wenigstens ein erstes Kennfeld gespeichert ist, das zumindest den Hochdruck als Eingangsgröße aufweist, wobei es die Soll-Größe des Reglers als Ausgangsgröße aufweist. Das erste und/oder das weiter unten angesprochene zweite Kennfeld kann in Form einer Wertetabelle implementiert sein. Es ist auch möglich, das erste und/oder das zweite Kennfeld mittels mathematischer Interpolationsformeln zu implementieren. Mischformen dieser beiden Implementationsarten sind ebenfalls denkbar. Es ist denkbar, dass das erste und das weiter unten erläuterte zweite Kennfeld unter Verwendung des oben angesprochenen Fluidfilm-Dicken-Sensors experimentell so ermittelt werden, dass sich die gewünschten Verhältnisse ergeben. Ebenso ist es denkbar, dass das erste und/oder das zweite Kennfeld durch Computersimulation ermittelt werden.Provision can be made for at least one first characteristic diagram to be stored in the control device which has at least the high pressure as an input variable, it having the setpoint variable of the controller as an output variable. The first and / or the second characteristic diagram discussed further below can be implemented in the form of a table of values. It is also possible to implement the first and / or the second characteristic diagram using mathematical interpolation formulas. Mixed forms of these two types of implementation are also conceivable. It is conceivable that the first and the second characteristic diagram explained further below are determined experimentally using the fluid film thickness sensor mentioned above in such a way that the desired ratios result. It is also conceivable that the first and / or the second characteristic diagram are determined by computer simulation.
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Kennfeld eine Drehzahl der Zylindertrommel und/oder einen Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine und/oder eine Viskosität des Druckfluids als weitere Eingangsgröße aufweist. Die Axialkolbenmaschine weist vorzugsweise ein verstellbares Verdrängungsvolumen auf. Im Falle einer Schrägscheibenmaschine beschreibt der Schwenkwinkel die hierfür erforderliche Verschwenkung der Schwenkwiege. Im Falle einer Schrägachsenmaschine beschreibt der Schwenkwinkel den Winkel zwischen der Drehachse der Triebwelle und der Drehachse der Zylindertrommel. Die Viskosität des Druckfluids wird vorzugsweise unter Verwendung eines Temperatursensors ermittelt, wobei aus dem entsprechenden Messwert und einer Temperatur-Viskosität-Kennlinie des Druckfluids dessen Viskosität ermittelt wird.It can be provided that the first characteristic map has a speed of the cylinder drum and / or a pivot angle of the axial piston machine and / or a viscosity of the pressure fluid as a further input variable. The axial piston machine preferably has an adjustable displacement volume. In the case of a swashplate machine, the swivel angle describes the pivoting of the swivel cradle required for this. In the case of a bent axis machine, the swivel angle describes the angle between the axis of rotation of the drive shaft and the axis of rotation of the cylinder drum. The viscosity of the printing fluid is preferably determined using a temperature sensor, the viscosity of which is determined from the corresponding measured value and a temperature-viscosity characteristic curve of the printing fluid.
Es kann eine Fluidquelle vorgesehen sein, über welche das Steuerventil mit Druckfluid versorgt wird. Die Fluidquelle wird vorzugsweise vom ersten und/oder vom zweiten Arbeitsanschluss gebildet. Der erste und der zweite Arbeitsanschluss können eingangsseitig an ein Wechselventil angeschlossen sein, wobei das Steuerventil ausgangsseitig an das Wechselventil angeschlossen ist. Die Fluidquelle kann auch von einer gesonderten Steuerölpumpe gebildet werden.A fluid source can be provided via which the control valve is supplied with pressurized fluid. The fluid source is preferably formed by the first and / or the second working connection. The first and the second working connection can be connected on the inlet side to a shuttle valve, the control valve being connected on the outlet side to the shuttle valve. The fluid source can also be formed by a separate control oil pump.
Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerventil eine einzige stetig verstellbare Steuerblende umfasst, wobei durch die Steuervorrichtung ein Öffnungsquerschnitt der Steuerblende einstellbar ist. Vorzugsweise besteht ein zeitinvarianter Zusammenhang zwischen dem entsprechenden Stellsignal am Steuerventil und dem Öffnungsquerschnitt der Steuerblende. Insbesondere wird der genannte Zusammenhang nicht von weiteren, unterlagerten Regelkreisen definiert. Beispielsweise ist der Stellstrom am Steuerventil näherungsweise proportional zum Öffnungsquerschnitt der Steuerblende. Bei dem Steuerventil handelt es sich vorzugsweise um ein 2/2-Proportional-Wegeventil, welches höchst vorzugsweise direktgesteuert ausgebildet ist. Es ist auch denkbar, ein 3/2-Proportional-Wegeventil zu verwenden, welches zusätzlich an eine Fluidsenke, beispielsweise den im Wesentlichen drucklosen Innenraum des Gehäuses oder an einen Tank, angeschlossen ist. Es ist auch denkbar, als Steuerventil ein Druckreduzierventil zu verwenden, so dass der Steuerdruck hydraulisch geregelt wird. Mit dem zuvor vorgeschlagenen sehr einfachen Steuerventil können jedoch die nachfolgenden erläuterten Verbesserungen am Regelverfahren vorgenommen werden, welche die Stabilität des Gesamtsystems wesentlich verbessern, ohne dass hierdurch der Hardware-Aufwand zunimmt.It can be provided that the control valve comprises a single, continuously adjustable control panel, an opening cross-section of the control panel being adjustable by means of the control device. There is preferably a time-invariant relationship between the corresponding actuating signal at the control valve and the opening cross-section of the control panel. In particular, the relationship mentioned is not defined by other, subordinate control loops. For example, the actuating current at the control valve is approximately proportional to the opening cross-section of the control orifice. The control valve is preferably a 2/2-way proportional directional valve, which is most preferably designed to be directly controlled. It is also conceivable to use a 3/2-way proportional directional valve which is additionally connected to a fluid sink, for example the essentially pressureless interior of the housing or to a tank. It is also conceivable to use a pressure reducing valve as the control valve, so that the control pressure is regulated hydraulically. With the previously proposed very simple control valve, however, the following improvements can be made to the control method, which significantly improve the stability of the overall system without increasing the hardware expenditure as a result.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Einstellung des Steuerventils aus der Stellgröße des Reglers und einer Vorsteuergröße ermittelt wird, wobei die Vorsteuergröße zumindest von dem Hochdruck der Axialkolbenmaschine abhängt. Hierdurch kann die Zeitdauer bis zum Erreichen eines ausgeregelten Zustands minimiert werden. Weiter verbessert sich die Stabilität der Regelung. Die Einstellung des Steuerventils wird vorzugsweise durch Summierung der Stellgröße des Reglers und der Vorsteuergröße ermittelt.It can be provided that a setting of the control valve is determined from the manipulated variable of the controller and a pilot control variable, the pilot control variable at least depending on the high pressure of the axial piston machine. In this way, the period of time until a regulated state is reached can be minimized. The stability of the control is also improved. The setting of the control valve is preferably determined by adding up the manipulated variable of the controller and the pilot control variable.
Es kann vorgesehen sein, dass in der Steuervorrichtung wenigstens ein vom ersten verschiedenes zweites Kennfeld gespeichert ist, wobei das zweite Kennfeld zumindest den Hochdruck der Axialkolbenmaschine als Eingangsgröße aufweist, wobei es die Vorsteuergröße als Ausgangsgröße aufweist. Das erste und das zweite Kennfeld können zu einem mehrdimensionalen Kennfeld zusammengefasst sein, also zu einem Kennfeld, das mehrere Ausgangsgrößen hat. Das erste und/oder das zweite Kennfeld hat demgegenüber vorzugsweise nur eine einzige Ausgangsgröße.It can be provided that at least one second characteristic map, which is different from the first, is stored in the control device, the second characteristic map having at least the high pressure of the axial piston machine as an input variable, wherein it has the pilot control variable as an output variable. The first and the second characteristic diagram can be combined to form a multi-dimensional characteristic diagram, that is to say to form a characteristic diagram that has several output variables. In contrast, the first and / or the second characteristic diagram preferably has only a single output variable.
Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Kennfeld eine Drehzahl der Zylindertrommel und/oder einen Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine und/oder eine Viskosität des Druckfluids als weitere Eingangsgröße aufweist. Hierdurch kann die Vorsteuergröße flexibel an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Axialkolbenmaschine angepasst werden.It can be provided that the second characteristic diagram has a speed of the cylinder drum and / or a pivot angle of the axial piston machine and / or a viscosity of the pressure fluid as a further input variable. This allows the pilot control variable to be flexibly adapted to the different operating conditions of the axial piston machine.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine; -
2 einen hydraulischen Schaltplan der Axialkolbenmaschine nach1 ; -
3 einen Ausschnitt von1 im Bereich der Kolben-Zylinder-Einheit; -
4 einen Längsschnitt der Zylindertrommel; -
5 eine Seitenansicht der Zylindertrommel nach4 ; -
6 eine perspektivische Ansicht der Steuerplatte; und -
7 einen Schaltplan der Regelung der Axialkolbenmaschine nach1 .
-
1 a longitudinal section of an axial piston machine according to the invention; -
2 a hydraulic circuit diagram of the axial piston machine1 ; -
3 a section of1 in the area of the piston-cylinder unit; -
4th a longitudinal section of the cylinder drum; -
5 a side view of the cylinder drum according to4th ; -
6th a perspective view of the control plate; and -
7th a circuit diagram of the control of the axial piston machine according to1 .
Innerhalb des Gehäuses
Die Steuerfläche
Die vorliegende Axialkolbenmaschine
Hinzuweisen ist noch auf die Kolben-Zylinder-Einheit
Der eingestellte Schwenkwinkel, und mittelbar das Verdrängungsvolumen, ist vorliegend mit einem Schwenkwinkelsensor
Der erste und der zweite Arbeitsanschluss
Der Hochdruck
Hinzuweisen ist außerdem auf den Fortsatz
Zwischen zwei benachbarten Zylinderbohrungen
Die Zylindertrommel
Vorliegend sind insgesamt neun Zylinderbohrungen
Die erste und die zweite Steuerausnehmung
Zwischen der Ringnut
Die Ringnut
Die Stellgröße
Es hat sich gezeigt, dass sich durch diese besonders einfache Regelung ein besonders stabiles Systemverhalten erreichen lässt.It has been shown that this particularly simple control enables particularly stable system behavior to be achieved.
Der Regler
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- nn
- Drehzahl der ZylindertrommelSpeed of the cylinder drum
- TT
- Temperatur des DruckfluidsTemperature of the pressure fluid
- αα
- Schwenkwinkel Swivel angle
- 1010
- AxialkolbenmaschineAxial piston machine
- 1111
- erster Arbeitsanschlussfirst working connection
- 1212th
- zweiter Arbeitsanschlusssecond working connection
- 1313th
- ArbeitskolbenWorking piston
- 1414th
- GleitschuhSliding shoe
- 1515th
- SchwenkwiegeSwivel cradle
- 1616
- erster Stellzylinderfirst adjusting cylinder
- 1717th
- zweiter Stellzylinder second adjusting cylinder
- 2020th
- HochdruckHigh pressure
- 2121
- FluidquelleFluid source
- 2222nd
- WechselventilShuttle valve
- 2323
- Motor engine
- 3030th
- DrehachseAxis of rotation
- 3131
- erstes Drehlagerfirst pivot bearing
- 3232
- zweites Drehlagersecond pivot bearing
- 3333
- TriebwelleDrive shaft
- 3434
- Zapfen Cones
- 4040
- Gehäusecasing
- 4141
- erstes Gehäuseteilfirst housing part
- 4242
- zweites Gehäuseteil second housing part
- 5050
- SteuerplatteControl plate
- 5151
- erste Steuerausnehmungfirst tax recess
- 5252
- zweite Steuerausnehmungsecond control recess
- 5353
- Kerbescore
- 5454
- SteuerflächeControl surface
- 5555
- ÜbergabeausnehmungTransfer recess
- 5656
- RingnutRing groove
- 5757
- innere Ringausnehmunginner ring recess
- 5858
- äußere Ringausnehmung outer ring recess
- 6060
- ZylindertrommelCylinder drum
- 6161
- erste Mündungsöffnungfirst mouth opening
- 6262
- zweite Mündungsöffnungsecond mouth opening
- 6363
- StirnflächeFace
- 6464
- ZylinderbohrungCylinder bore
- 6565
- FluidkanalFluid channel
- 6666
- KeilwellenverzahnungSplines
- 6767
- kreiszylindrischer Abschnitt der Zylinderbohrungcircular cylindrical section of the cylinder bore
- 6868
- dritte Mündungsöffnung third mouth opening
- 7070
- BezugskreisReference circle
- 7171
- radialer Abstand einer zweiten Mündungsöffnung zur Drehachseradial distance of a second mouth opening to the axis of rotation
- 7272
- in radialer Richtung gemessener Durchmesser der zweiten Mündungsöffnung Diameter of the second mouth opening measured in the radial direction
- 8080
- Kolben-Zylinder-EinheitPiston-cylinder unit
- 8181
- erster Ringkolbenfirst annular piston
- 8282
- zweiter Ringkolbensecond ring piston
- 8383
- FortsatzAppendix
- 8484
- FluidraumFluid space
- 8585
- SteuerdruckControl pressure
- 8686
- DichtringSealing ring
- 8787
- SicherungsringCirclip
- 9090
- SteuerventilControl valve
- 9191
- SteuerblendeControl panel
- 9292
- SteuervorrichtungControl device
- 9393
- Federfeather
- 9494
- Elektromagnet Electromagnet
- 100100
- ReglerRegulator
- 101101
- StellgrößeManipulated variable
- 102102
- Ist-GrößeActual size
- 103103
- Soll-GrößeTarget size
- 104104
- VorsteuergrößeInput tax quantity
- 105105
- Regelabweichung Control deviation
- 111111
- erster Drucksensorfirst pressure sensor
- 112112
- zweiter Drucksensorsecond pressure sensor
- 113113
- SchwenkwinkelsensorSwivel angle sensor
- 114114
- DrehzahlsensorSpeed sensor
- 115115
- Temperatursensor Temperature sensor
- 121121
- erstes Kennfeldfirst map
- 122122
- zweites Kennfeld second map
- 131131
- erster Durchbruchfirst breakthrough
- 132132
- zweiter Durchbruchsecond breakthrough
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3810715A (en) | 1972-08-07 | 1974-05-14 | Gen Motors Corp | Hydrostatic machine valve biasing system |
DE3901064A1 (en) | 1988-01-16 | 1989-07-27 | Michael Meyerle | Hydrostatic axial-piston machine, in particular for a motor vehicle split-torque transmission |
DE3904782A1 (en) | 1989-02-17 | 1990-08-23 | Linde Ag | AXIAL PISTON MACHINE |
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