DE102020210397B3

DE102020210397B3 - Hydrostatische servoeinheit

Info

Publication number: DE102020210397B3
Application number: DE102020210397.6A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Goellner; Andrej Babusa; Heiko Laffrenzen
Original assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2040-08-15
Also published as: CN216691360U; CN114076077A; WO2022033899A1; US20230304468A1; EP4196676A1

Abstract

Hydrostatische Servoeinheit aufweisend ein Gehäuse mit zwei zylindrischen Druckkammern, die koaxial entlang einer Bohrungslängssachse angeordnet sind und auf beiden Seiten des Gehäuses mittels zweier Abschlusskappen ausgebildet sind. Jede von diesen ist innen durch einen Kolbenkopf eines Doppelkopfservokolbens verschlossen, sodass die nach außen zeigenden Stirnflächen der Kolbenköpfe mit Druck beaufschlagt werden können, um den Servokolben entlang der Bohrungslängsachse zu bewegen. Eine Kolbenstange steht aus dem Gehäuse nach außen vor. Jede Druckkammer ist hydraulisch derart mit einer Druckquelle verbunden, dass Servodruck wechselseitig an die Druckkammern bereitgestellt werden kann, und ist hydraulisch mit einem hydraulischen Behälter verbunden, um Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer abzulassen, die nicht mit Servodruck beaufschlagt ist. Zumindest eine Servofeder ist mittels zweier Federsitze zwischen den beiden Kolbenköpfen angeordnet, von denen sich einer auf jeder Seite der Servofeder befindet. Die im Hinblick auf die Bohrungslängsachse radial äußeren Bereiche stützen sich gegen die Abschlusskappen ab, wobei die radial inneren Bereiche durch die Kolbenköpfe beweglich sind, um die Servofeder zusammenzudrücken, wenn eine der Druckkammern mit Servodruck beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Servoeinheit, um beispielsweise das Verdrängungsvolumen einer verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit anzupassen oder um einen Lenkmechanismus zu bewegen, oder Klappen oder etwas Ähnliches in einer bidirektionalen Bewegung zu bewegen. Weiter betrifft die Erfindung zum Beispiel hydrostatische Einheiten mit einem verstellbaren Verdrängungsvolumen, die in einem offenen oder geschlossenen Hydraulikkreis angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Arbeitsmaschinen, im Speziellen landwirtschaftliche Maschinen, Bagger, Teleskoplader oder andere off-road Maschinen, die Servoeinheiten zum Durchführen von bidirektionalen Linearbewegungen verwenden.
Hydrostatische Servoeinheiten werden häufig zum Anpassen des Verdrängungsvolumens einer verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit eingesetzt, wie Schrägscheiben- oder Schrägachsenpumpen und -motoren, die beispielsweise in hydraulischen Getriebevorrichtungen einsetzbar sind. Obwohl die hydrostatischen Servoeinheiten auf verschiedene Art und Weisen und in verschiedenen Vorrichtungen betätigt und eingesetzt werden können, beispielsweise unter Verwendung von hydraulischem Druck oder elektromagnetischer Kräfte, ist es in den meisten Anwendungen wichtig, eine präzise und verlässliche Mittelposition für die Vorrichtung bereitzustellen, besonders, wenn die Servoeinheit zum Steuern von hydrostatischen Antriebseinheiten, beispielsweise von Arbeitsmaschinen, oder zum Steuern von Klappenvorrichtungen verwendet wird. Häufig werden Federn auf beiden Seiten eines Servokolbens einer Servoeinheit angeordnet und stützen sich auf einer Seite gegen den Servokolben und auf einer anderen Seite gegen das Gehäuse ab. Dies führt zu einer unpräzisen und schwer einzustellenden Zentrierung des Servokolbens, da die zentrierende Kraft der Feder auf der einen Seite durch die Feder auf der anderen Seite aufgenommen wird, was zumindest zu einem großen Hysteresebereich führt. Deshalb werden in den bekannten Servoeinheiten die Fertigungs- und Montagetoleranzen der beiden Servofedern addiert und die Mittelposition kann über einen weiten Bereich variieren.
Zusätzlich sind die Servoeinheiten häufig im Gehäuse einer einstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit angeordnet. Daher ist eine Standardisierung der Konstruktion, die zu niedrigeren Produktionskosten führt, und eine Montage der hydraulischen Verdrängungseinheiten mit niedrigem Aufwand nicht möglich, da für jede Verdrängungseinheit eine spezielle Version einer Servoeinheit notwendig ist. Des Weiteren kann die Mittelposition der Servoeinheiten nur angepasst werden, bevor die Servoeinheit im Gehäuse der Verdrängungseinheit angeordnet wird. In dieser Konfiguration ist es, nachdem die verstellbare hydraulische Verdrängungseinheit aufgebaut ist, nicht möglich, die Mittelposition des Servoschiebers an die Neutralposition der verstellbaren hydraulischen Verdrängungseinheit anzupassen, die in der Praxis von der theoretischen Position aufgrund von Fertigungstoleranzen abweicht.
Was anhand von hydrostatischen Einheiten beschrieben worden ist, trifft analog auf andere Vorrichtungen zu, die von Servoeinheiten gesteuert werden und deshalb von der Erfindung umfasst sind. Da eine bevorzugte Benutzung der Servoeinheit gemäß der Erfindung auf verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheiten zutrifft, wird die Erfindung lediglich exemplarisch für hydrostatische Einheiten im Detail beschrieben. Ein Fachmann überträgt die Lehre ohne Weiteres auf andere Vorrichtungen oder Apparate, die hydrostatische Servoeinheiten verwenden, die deswegen von der erfinderischen Idee umfasst sind und im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen.
In vielen bekannten Anwendungen weist die Servoeinheit zwei Druckkammern auf gegenüberliegenden Seiten des Servoschiebers/-kolbens auf, die mit Druck beaufschlagt werden können, wenn der Servokolben entlang seiner Schieberachse bewegt werden soll. Wenn die Bewegung des Servokolbens außerhalb des Gehäuses weitergeleitet werden soll, wird beispielsweise eine Kolbenstange eingesetzt, die von einer Seite des Servoschiebers durch eine der Druckkammern außerhalb des Gehäuses der Servoeinheit hervorragt. Dies führt zu einem asymmetrischen Verhalten des Servokolbens, da auf den Teil der Stirnfläche des Servoschiebers kein Druck aufgebracht werden kann, an dem die Kolbenstange angebunden ist.
In DE 10 2012 213 585 A1 , US 9,127,439 B2 , DE 11 2018 003 195 T5 und US 10,294,633 B2 sind mittels Servoeinheiten verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheiten gezeigt, wobei die Servoeinheiten in das Gehäuse der Verdrängungseinheiten integriert sind. Die jeweilige Servokolbenstange ist innerhalb des Gehäuses der Verdrängungseinheiten an das einstellbare Verdrängungselement angebunden. Servokolben-Rückstellkräfte werden bei diesen Einheiten direkt oder indirekt durch Feder- oder Druckkräfte innerhalb des Gehäuses der hydrostatischen Verdrängungseinheit erzeugt.
US 3,521,450 offenbart beispielsweise zwei Servoeinheiten, die mechanisch mit schwenkbaren Schrägscheiben einer Pumpe und eines Motors eines hydrostatischen Getriebes verbunden sind, wobei die Scheiben nacheinander angeordnet sind, um die Verdrängung zu variieren und die Geschwindigkeit des hydrostatischen Getriebes einzustellen. Die Servos weisen jeweils einen Servokolben auf, der in einem Servozylinder beweglich ist, wobei sich zwei Druckkammern auf gegenüberliegenden Seiten des Servokolbens befinden. In jeder Druckkammer ist eine Servofeder angeordnet, die sich auf der einen Seite gegen den Servokolben und auf der anderen Seite gegen den Boden der Servozylinderbohrung abstützt. Die Druckkammern werden gemäß hydraulischen Remote-Steuersignalen mit Druck beaufschlagt oder drucklos geschaltet. An den mittleren Teilen der Servokolben sind Kolbenstangen befestigt, um die Bewegung des Servokolbens an eine mechanische Hebelvorrichtung weiterzugeben, die mit der jeweiligen Schrägscheibe verbunden ist.
Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine hydraulische Servoeinheit bereitzustellen, die in Verbindung mit unterschiedlichen Bauarten und Versionen von verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheiten eingesetzt werden kann und die einen robusten, verlässlichen, wirtschaftlichen und leicht einzustellenden Zentriermechanismus aufweist und deren Mittelposition auch nach dem Einbau in die Servoeinheit noch einstellbar ist.
Die Ziele werden durch eine hydraulische Servoeinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1, eine verstellbare hydraulische Verdrängungseinheit nach Anspruch 13, ein hydrostatisches Getriebe nach Anspruch 19 und eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 21 erfüllt. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind durch die Unteransprüche aufgezeigt, die direkt oder indirekt von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängen.
Die erfindungsgemäße hydrostatische Servoeinheit weist ein Gehäuse auf, in dem zwei Druckkammern entlang einer Bohrungslängsachse koaxial angeordnet sind. Diese Druckkammern sind durch Abschlusskappen ausgebildet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet sind und die Innenseite des Gehäuses gegenüber der Außenseite abdichten. Jede Abschlusskappe weist einen innenliegenden Hohlraum auf, der innen durch einen Kolbenkopf eines Doppelkopfkolbens abgedichtet ist. Dadurch werden Druckkammern von den nach außen zeigenden Stirnflächen jedes Kolbenkopfs und den nach innen zeigenden Hohlräumen der Abschlusskappen ausgebildet. Der Doppelkopfkolben weist des Weiteren eine Kolbenstange auf, die vom Gehäuse nach Außen vorsteht, um die lineare Kolbenbewegung mechanisch, bspw. an ein Verdrängungselement einer verstellbaren hydraulischen Verdrängungseinheit, weiterzugeben.
Jede der Druckkammern steht mit einer Druckquelle in Fluidverbindung, die in der Lage ist, (gesteuerten) Servodruck an die verbundene Druckkammer bereitzustellen. Um Hydraulikflüssigkeit von der Druckkammern abzulassen, die nicht durch den Servodruck mit Druck beaufschlagt ist, ist die Druckkammer fluidisch mit einem hydraulischen Behälter verbunden, sodass der Doppelkopfservokolben zu jeder Seite, durch Unterdrucksetzen einer nach außen zeigenden Kolbenfläche in einer Druckkammer und gleichzeitiges Ablassen von Hydraulikfluid aus der anderen Druckkammer zu einem hydraulischen Behälter mit niedrigem Druck, bspw. einem Tank oder einem Ausgleichsbehälter beweglich ist.
Zusätzlich ist zumindest eine Servofeder zwischen den beiden Kolbenköpfen des Doppelkopfservokolbens angeordnet. Die zumindest eine Feder ruht auf zwei Federsitzen, jeder mit einem radial äußeren und einem radial inneren Bereich, wobei sich die radial äußeren Bereiche weiter weg von der Bohrungslängsachse befinden als die radial inneren Bereiche. Im montieren Zustand stützen sich die radial äußeren Bereiche der Federsitze gegen die Abschlusskappen ab, wobei die radial inneren Bereiche durch die Kolbenköpfe beweglich sind. In anderen Worten, die nach innen zeigende Servokolbenfläche ist so konstruiert, dass der Doppelkopfservokolben in der Lage ist, die zumindest eine Servofeder zusammenzudrücken, wenn eine Druckkraft auf die nach außen zeigende Servokolbenfläche wirkt. Das andere Ende der Servofeder stützt sich mittels der radial äußeren Bereiche des zugehörigen Federsitzes gegen die Abschlusskappe der anderen Druckkammer ab, die nicht mit Servodruck beaufschlagt ist.
Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die Aufbaureihenfolge und die spezifische Konstruktion der hydraulischen Servoeinheit und zum Großteil des Doppelkopfservokolbens von der Zahl der Federn, die eingesetzt werden, abhängt. Die Benutzung von bspw. nur einer Feder, die um das Kolbenhemd zwischen den beiden Kolbenköpfen angeordnet ist, verlangt nach einer zumindest zweiteiligen Konstruktion des Servokolbens, da die beiden Kolbenköpfe einen größeren Durchmesser als die radial innere Region der Servofeder oder des Servofedersitzes aufweisen. Deshalb ist in dieser Ausführungsform bevorzugt ein Kolbenkopf des Doppelkopfservokolbens demontierbar.
Jedoch ist auch eine einteilige Konstruktion des Servokolbens möglich, wenn zumindest zwei kleinere Federn eingesetzt werden, die die Kolbenstange nicht umgeben, sondern die mit gleichem Abstand zur Längsbohrachse auf zugehörigen Federsitzen angeordnet sind und die deshalb lotrecht zur Bohrungslängsachse zwischen die beiden Kolbenköpfe eingesetzt werden können. Bei der Umsetzung dieser Ausführungsform ist die Benutzung einer Vielzahl von Federn, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, möglich und nur die beiden Federsitze auf beiden Seiten der nach innen zeigenden Kolbenkopfflächen, die sich gegen die innere Kontur der Abschlusskappen abstützen, müssen geeignet sein, diese in Umfangsrichtung festzulegen. Dafür können die Federsitze bspw. eine offene Ringstruktur oder eine andere geeignete Konstruktion aufweisen, um auf dem Servokolbenhemdbereich zwischen den beiden Kolbenköpfen montierbar zu sein.
Der Doppelkopfservokolben zeigt eine gewöhnliche Knochenform mit einem kleineren Durchmesserbereich zwischen den beiden Kolbenköpfen, ähnlich zu einem Knochen. Vorzugsweise ist im knochenförmigen Körper in einer mittigen Längsbohrung die Kolbenstange montiert, sodass ein Ende der Kolbenstange an einem Kolbenkopf befestigt ist und das andere Ende auf die Außenseite des Gehäuses der Servoeinheit gemäß der Erfindung vorsteht. In einer Abwandlung des Doppelkopfservokolbens ist einer der Kolbenköpfe einteilig mit dem Kolbenhemd in Verbindung mit der Kolbenstange ausgeführt. Weitere Ausführungsformen und Lösungen im Bereich des Könnens eines Fachmanns sind durch die Idee der Erfindung abgedeckt, soweit der Servokolben einen knochenförmigen Teil zeigt mit einer Kolbenstange, die sich von diesem erstreckt. Dies gibt dem Servokolben gemäß der Erfindung ebenso einen Querschnitt ähnlich zu einem Doppel-T, mit unterschiedlichen oder gleichen Durchmesser für die Wellenteile zwischen und außerhalb der Kolbenköpfe.
Eine Druckquelle stellt beispielsweise Hochdruck an eine erste Druckkammer zur Verfügung und die zweite Druckkammer ist mit einer hydraulischen Senke verbunden, um den Doppelkopfservokolben zu bewegen. Wegen des Druckunterschiedes an den nach außen zeigenden Stirnflächen des Servokolbens wird sich der Doppelkopfservokolben und im Speziellen die Kolbenstange, in Richtung der Druckkammer mit dem niedrigeren Druck bewegen. Mit fortschreitender Bewegung übt der Kolbenkopf, der die Druckkammer mit dem höheren Druck verschließt, eine Kraft auf den radial inneren Bereich der Servofeder aus und die Servofeder wird zusammengedrückt, wobei die Servofeder sich über ihren radial äußeren Bereich gegen die Abschlusskappe auf der Seite der Druckkammer mit dem niedrigeren Druck abstützt. Die Bewegung stoppt, wenn die Kraft, die auf die äußere Stirnfläche des Hochdruckservokopfs ausgeübt wird, gleich der entgegenwirkenden Kraft der Feder ist.
Wenn beide Druckkammern mit einem hydraulischen Behälter verbunden sind, bspw. über Steuerventile mit einem Tank, wird der Doppelkopfservokolben zentriert, da die Servofeder mit ihren inneren Bereichen sich gegen die beiden Kolbenköpfe des Servokolbens und gleichzeitig mit ihren radial äußeren Bereichen gegen die Abschusskappen abstützt, die mit dem Gehäuse der Servoeinheit ortsgebunden sind. Da diese Positionen zum Abstützen gegen die inneren Enden der Abschlusskappen einen exakten Ruhepunkt für die von der Servofeder hervorgerufene Bewegung des Servokolbens definieren, wird der Doppelkopfservokolben sich immer selbst in exakt dieser Mittelposition ausrichten, wenn die Hydraulikkraft auf die nach außen zeigenden Stirnflächen des Doppelkopfservokolbens gleich sind oder niedriger als die Kraft der Servofeder, unabhängig von der Position, in die der Doppelkopfservokolben vorher bewegt wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Position der Abschlusskappen, d.h. ihrer inneren Enden, einstellbar, bspw. durch Hinein- oder Herausschauben der beiden Abschlusskappen in oder aus dem Gehäuse der Servoeinheit. Da dies in einer bevorzugten Ausgestaltung für beide Abschlusskappen unabhängig ausgeführt werden kann, kann die Mittelposition in der Längsrichtung gemäß der Toleranzsituation in der Vorrichtung angepasst/bewegt werden, für die die erfindungsgemäße Servoeinheit benutzt wird. Da die Servoeinheit vorzugsweise außerhalb des Gehäuses bspw. einer verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit montiert ist, kann die Einstellung bspw. erfolgen, wenn die verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit in Betrieb genommen wird, oder zu einem späteren Zeitpunkt, während der Instandhaltung oder Wartung der hydrostatischen Einheit, o.ä.
Jedoch kann nicht nur die Mittelposition an die Vorrichtung, die von der erfindungsgemäßen Servoeinheit gesteuert/betätigt werden soll, bspw. eine verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit, angepasst werden, sondern es kann auch die Vorspann-/Vorbelastungskraft der Servofeder(n) gemäß den Anforderungen an die Vorrichtung festgelegt werden, für die die Servoeinheit eingesetzt werden soll, bspw., um die hydraulischen Pedalkräfte oder andere Betätigungskräfte der Servoeinheit anzupassen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Kolbenköpfe des Doppelkopfservokolbens unterschiedliche Durchmesser auf. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, ein Druckverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Druckkammer anzupassen, das notwendig ist, um den Doppelkopfservokolben zu bewegen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Durchmesser der beiden Servoköpfe so konstruiert, dass die Oberflächengröße der nach außen zeigenden Stirnflächen, auf die hydraulischer Druck wirken kann, gleich ist. Vor allem, wenn die Kolbenstange von einer nach außen zeigenden Stirnfläche durch die zugehörige Druckkammer von der Außenseite des Gehäuses der Servoeinheit vorragt, ist die Oberflächenform, auf die Druck wirken kann, für beide Kolbenköpfe nicht gleich, da, wenn sie den gleichen Durchmesser aufweisen würden, der Querschnitt der Kolbenstange einem Teil der nach außen zeigenden Servokolbenkopfoberfläche überdecken würde. Dementsprechend ist es bevorzugt, den Durchmesser des Kolbenkopfs, von dem die Kolbenstange vorsteht, auf einen größeren Durchmesser anzugleichen, so dass die gleiche Druckflächengröße benutzt werden kann, um den Doppelkopfservokolben in beiden Richtungen zu bewegen. Da die Servoeinheit bevorzugt außerhalb eines Gehäuses einer zu steuernden hydraulischen Einheit angebracht ist, eröffnen die Konstruktionsmöglichkeiten auf beiden Seiten des Doppelkopfservokolbens eine große Vielfalt von möglichen Einsatzgebieten, für die die Servoeinheit gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann. Im Speziellen muss das Durchmesserverhältnis der Druckkammern nicht an eine spezifische Anwendung angepasst werden, d. h. an eine hydraulische Einheit, und eine Servoeinheit gemäß der Erfindung kann nicht nur für unterschiedliche volumetrische Größen innerhalb einer Serie von hydrostatischen Einheiten oder dergleichen eingesetzt werden, sondern auch für verschiedene Serien von hydraulischen Einheiten oder sogar nicht hydrostatischen Einheiten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckkammern direkt hydraulisch mit einer Druckquelle und einem hydraulischen Reservoir, beispielsweise eines hydraulischen Steuerkreises oder eines hydraulischen Pedals, verbunden. Hydraulikfluiddruck, der auf diese Weise erzeugt wird, kann direkt auf die nach außen zeigenden Stirnflächen des Servokolbens wirken. In diesem Fall ist es von der Erfindung umfasst, dass ein hydraulischer Zwischenkreis, wie beispielsweise ein Speisedruckkreis, hydraulisch zwischen der Druckquelle/Tank und den Druckkammern der Servoeinheit angeordnet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Druck in den Druckkammern mittels Steuerventilen gesteuert, die mechanisch, hydraulisch und/oder elektromagnetisch betätigbar sind. Dabei ist ein Einlass der Steuerventile mit einer Druckquelle verbunden, die Hydraulikfluid unter einem erhöhten Druck bereitstellt, ein Auslass des Steuerventils ist mit der jeweiligen Druckkammer und ein anderer Auslass mit dem hydraulischen Fluidbehälter verbunden. In dieser beispielhaften Konfiguration kann Hydraulikfluid unter einem erhöhten Druck von der Druckquelle zu der verbundenen Druckkammer geleitet werden, wenn das Steuerventil geöffnet ist, und Hydraulikfluid kann von der verbundenen Druckkammer abgelassen werden, wenn das Steuerventil in seiner geschlossenen Stellung ist. Deshalb ist das Steuerventil gemäß der beschriebenen Ausführungsform ein 3/2-Wegeventil, das einen Einlass, zwei Auslässe und zwei Ventilstellungen aufweist. Jedoch könnte ein Fachmann verschiedene Ausgestaltungen und Arten von Ventilen einsetzen, um Hoch- und/oder Niederdruck zu den Druckkammern der hydraulischen Servoeinheit zu leiten.
Die Steuerventile können zusätzlich mit Mitteln zur Druckkompensation ausgestattet sein, um einen gleichbleibenden Durchfluss durch das Ventil auch bei wechselnden Druckabfällen über den Ventilen zu erreichen. In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Steuerventile einen Versorgungsanschluss auf, der hydraulisch mit einer Druckquelle, beispielsweise einer hydraulischen Speisedruckleitung, verbunden ist. Für einen Fachmann ist es offenkundig, dass eine Vielzahl von anderen hydraulischen Druckquellen an den Versorgungsanschluss des Steuerventils angeschlossen werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist jedes der Steuerventile einen Steuerventilschieber mit zwei gegenüberliegenden Stirnflächen auf, auf die Kräfte wirken können. Beispielsweise ist auf einer ersten Fläche eine Steuerventilfeder angeordnet, die eine Kraft auf die Fläche ausübt, die das Steuerventil in seiner ersten, geschlossenen Stellung hält, in der die Druckkammer mit dem hydraulischen Reservoir verbunden ist. Das Steuerventil kann durch eine Betätigungskraft auf eine gegenüberliegende, zweite Stirnfläche in die zweite, offene Stellung verbracht werden, in der die Druckkammer und der Einlassanschluss des Steuerventils hydraulisch verbunden sind, wobei diese Betätigungskraft entgegengesetzt zur Kraft der Steuerventilfeder wirkt. Verschiedene Möglichkeiten, um eine solche Betätigungskraft aufzubringen, stehen einem Fachmann zur Verfügung, beispielsweise können hydraulische, mechanische oder elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Steuerventile unter Benutzung von Elektromagneten betätigt, die ein elektrisches Signal empfangen und eine entsprechende Kraft auf die zweite Stirnfläche mittels Elektromagneten aufbringen. In einem noch weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das elektrische Signal, das die Elektromagneten erhalten, von einer Steuereinheit gesendet, die ein mechanisches oder elektronisches Feedback der Position des Verdrängungssteuerungsmittels der verstellbaren hydraulischen Verdrängungseinheit oder Befehle eines Bedieners einer Arbeitsmaschine empfängt, beispielsweise mittels eines Joystickeingangs. Die Steuereinheit berechnet Steuersignale mittels der empfangenen Feedbacksignale oder der Joysticksignale, die dann zu den Elektromagneten zur Betätigung der Steuerventile gesendet werden. Jedoch sind die Steuerventile in anderen Ausführungsformen durch mechanische Kräfte betätigbar, die beispielsweise aufgewendet durch ein Hebelsystem oder durch einen hydraulischen Druck in einer Druckkammer ausgeübt werden, benachbart zur Betätigungsstirnfläche.
Von der Erfindung ist zusätzlich umfasst, dass die Einlassanschlüsse, d. h. die Versorgungs- und Ablassanschlüsse der Steuerventile, jeweils mit der gleichen Druckquelle und/oder Drucksenke oder mit unterschiedlichen Druckquellen und/oder Drucksenken verbunden sind.
Bevorzugt sind die Steuerventile im oder am gleichen Gehäuse angeordnet, wie die hydraulische Servoeinheit, jedoch ist es ebenfalls möglich, diese getrennt in einem hydraulischen System anzuordnen und sie beispielsweise mit hydraulischen Leitungen mit der Servoeinheit zu verbinden.
Die hydraulische Servoeinheit gemäß der Erfindung kann eingesetzt werden, um die Verdrängung einer verstellbaren hydraulischen Verdrängungseinheit zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kolbenstange der Servoeinheit mechanisch mit den Verdrängungsvolumensteuermitteln der hydrostatischen Einheit verbunden, beispielsweise mit einer Schrägscheibe oder einem Joch, im Falle eines Schrägachsenmotors oder einer Schrägachsenpumpe.
Viele verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheiten benötigen eine Dreh- oder Schwenkbewegung der Verdrängungsvolumensteuermittel, um das Verdrängungsvolumen der hydraulischen Einheit anzupassen. Deshalb wandelt in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform die mechanische Verbindung die Linearbewegung der Kolbenstange in Rotationsbewegung der Verdrängungsvolumensteuermittel um. Weiter bevorzugt weist die mechanische Verbindung einen exzentrischen Mechanismus und/oder einen Hebelmechanismus auf. Ein Fachmann ist mit vielen anderen Möglichkeiten vertraut, Linearbewegungen in Rotationsbewegungen umzuwandeln. Alle diese Methoden sind ebenfalls von der Erfindung umfasst. In der vorliegenden Anmeldung ist es bevorzugt, einen exzentrischen Mechanismus zu benutzen, bei dem eine Kolbenstange über einen Verlängerungshebel in Wirkverbindung mit den Mitteln zur Steuerung des veränderlichen Verdrängungsvolumens an einer Position verbunden ist, die sich entfernt vom Rotationsmittelpunkt der Verdrängungsvolumensteuermittel befindet. Deshalb wird eine Linearbewegung der Kolbenstange in eine Rotation/Schwenken der Verdrängungsvolumensteuermittel umgewandelt.
Wegen der mechanischen Verbindung kann die Servoeinheit auf der Innenseite oder der Außenseite eines Gehäuses, beispielsweise der verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit, angeordnet werden oder beabstandet von der verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit. Vom Stand der Technik ist es weitgehend bekannt, dass Servoeinheiten innerhalb des Gehäuses der Vorrichtungen angeordnet sind, die von den Servoeinheiten gesteuert werden. Jedoch stellt das Anordnen der Servoeinheiten auf der Außenseite des Gehäuses der Vorrichtung zahlreiche Vorteile über die im Stand der Technik vorherrschende Konstruktion zur Verfügung.
Da das Servosystem kein integrierter Teil der Vorrichtung, beispielsweise einer hydraulischen Einheit, ist, ist das System im Falle eines Bauteilversagens leicht austauschbar. Des Weiteren kann die Servoeinheit zusammen mit unterschiedlichen Konstruktionen oder unterschiedlichen Vorrichtungen aufgebaut werden, was zu einer größeren Vereinheitlichung und niedrigeren Fertigungskosten führt. Es ist ebenso leicht zugänglich, wenn beispielsweise Anpassungen der Mittelstellung der Servoeinheit durchzuführen sind, damit die Mittelstellung der Servoeinheit mit der Neutralposition der verstellbaren hydraulischen Verdrängungsmaschine oder einer anderen Vorrichtung übereinstimmt, und das auch, nachdem die Servoeinheit in das übergeordnete System eingebaut wurde.
Die hydrostatische Servoeinheit gemäß der Erfindung kann bezüglich der hydrostatischen Einheit frei angeordnet werden, was zu einem höheren Grad an Freiheit führt, wenn eine hydrostatische Einheit oder eine Arbeitsmaschine entworfen wird. Zur Benutzung der gleichen hydrostatischen Servoeinheit in unterschiedlichen Anwendungen und der zugehörigen unterschiedlichen Positionierung der hydrostatischen Servoeinheiten muss lediglich die mechanische Verbindung angepasst werden. Die mechanische Verbindung stellt die Verbindung zwischen dem Servosystem und den gesteuerten Apparaten bereit und ist somit durch das Gehäuse der Vorrichtung/des Apparates durchzuführen. Des Weiteren kann die hydraulische Einheit/der Apparat kleiner ausgeführt werden, da die Servoeinheit entfernt von der hydraulischen Einheit/dem Apparat montiert werden kann. Dadurch kann ein hydrostatisches Getriebe noch kleiner konstruiert werden, da kein Platz zur Befestigung der Servoeinheit innerhalb des Gehäuses der hydraulischen Einheit benötigt wird.
Vorzugsweise ist die beispielhaft dargestellte verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit eine hydrostatische Pumpe oder ein hydrostatischer Motor. Weiter bevorzugt ist die hydrostatische Einheit nach Axialkolben- oder Radialkolbenbauart ausgeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die hydraulische Servoeinheit eingesetzt, um das Übersetzungsverhältnis eines hydrostatischen Getriebes zu steuern, wobei die hydrostatischen Einheiten, die das hydrostatische Getriebe aufweist, über einen offenen Kreis oder einen geschlossenen Kreis verbunden sind. In einem solchen hydrostatischen Getriebe gemäß der Erfindung ist es möglich, die Verdrängung einer der hydrostatischen Einheiten aus der Ferne mittels des hydrostatischen Servosystems zu steuern. Von der Erfindung ist auch umfasst, dass mehr als eine hydrostatische Verdrängungseinheit und/oder mehr als ein hydrostatisches Getriebe durch mehr als eine erfindungsgemäße hydrostatische Servoeinheit gesteuert wird, oder dass eine erfindungsgemäße hydrostatische Servoeinheit mehr als eine hydrostatische Einheit des hydrostatischen Getriebes steuert.
Die hydrostatische Servoeinheit gemäß der Erfindung kann ebenso eingesetzt werden, um die Bewegung einer Lenkeinheit zu bilden und zu kontrollieren, die beispielsweise in einer Arbeitsmaschine angeordnet sein kann, beispielsweise einer landwirtschaftlichen Maschine, beispielsweise einem Traktor. In einer Arbeitsmaschine gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Servoeinheit gemäß Befehlssignalen einer Steuereinheit gesteuert. Die Steuereinheit empfängt ihre Befehlssignale von einem Bediener der Arbeitsmaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Arbeitsmaschine eine landwirtschaftliche Maschine, ein Bagger, ein Teleskoplader, oder eine andere Art off-road Maschine. Eine weitere mögliche Benutzung der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise als Bewegungsmechanismus für Klappen oder ähnliches. Im Allgemeinen alle Vorrichtungen/Apparate, die eine gesteuerte, lineare, bidirektionale Bewegung ausführen.
Der Fachmann erkennt, dass die erfindungsgemäße hydraulische Servoeinheit, die erfindungsgemäße hydrostatische Einheit und andere erfindungsgemäße Ausgestaltungen auf andere Druckfluid-Einheiten anwendbar sind, und nicht auf Öl betriebene hydrostatische Einheiten limitiert sind.
Im Folgenden ist eine erfindungsgemäße hydrostatische Servoeinheit mit Hilfe der beigefügten Figuren dargestellt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Ausgestaltungen, die unten aufgezeigt werden, begrenzt, auch wenn das in der Beschreibung nicht erwähnt ist. Verschiedene Ausgestaltungen können von einem Fachmann kombiniert oder abgewandelt werden, ohne den Rahmen der erfinderischen Idee zu verlassen.
Die Figuren zeigen:

1 ein Schema einer hydrostatischen Servoeinheit gemäß der Erfindung in Kombination mit einem allgemeinen Betätigungssystem;
2 ein Schema einer hydrostatischen Servoeinheit gemäß der Erfindung mit einem Steuerventilbetätigungssystem;
3 einen Schnitt einer hydrostatischen Servoeinheit gemäß der Erfindung;
4 eine isometrische Ansicht einer hydrostatischen Servoeinheit gemäß der Erfindung;
5 eine isometrische Ansicht einer verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheit gemäß der Erfindung.

1 zeigt ein Schema einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Servoeinheit 1, die ein Gehäuse 10 aufweist, in dem zwei Druckkammern 25, 35 koaxial entlang einer Bohrungslängsachse 14 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 10 angeordnet sind. Jede der Druckkammern 25, 35 ist als becherförmiger Hohlraum in Abschlusskappen 20, 30 ausgebildet, die im Gehäuse 10 angeordnet sind, wobei die Hohlräume in Richtung der Innenseite des Gehäuses 10 offen sind. Die Öffnungen der Abschlusskappen 20, 30 in Richtung des Inneren des Gehäuses 10 sind auf jeder Seite durch einen Kolbenkopf 42, 46 eines Doppelkopfservokolbens 40 abgedichtet. In der Folge sind die Druckkammern 25, 35 durch die inneren Flächen der Abschlusskappen 20, 30 und die nach außen zeigenden Stirnflächen 43, 47 der Kolbenköpfe 42, 46 ausgebildet. Die Kolbenköpfe 42, 46 teilen sich eine Kolbenstange 41, die auf einer Seite durch die Druckkammer 25 und durch die zugehörige Abschlusskappe 20 aus dem Gehäuse 10 nach außen vorsteht. Beide Druckkammern 25, 35 sind hydraulisch mit einer Druckquelle 60 verbunden, die unter Druck stehendes Fluid als Servodruck in die Druckkammern 25, 35 leiten kann, sodass der Servodruck auf die nach außen zeigenden Stirnflächen 43, 47 des Servokolbens 40 wirken kann. Beide Druckkammern 25, 35 können alternativ mit einem hydraulischen Reservoir 70 verbunden werden, das die Möglichkeit bereitstellt, Flüssigkeit aus den Druckkammern 25, 35 abzulassen. Als Folge kann eine Druckdifferenz über den nach außen zeigenden Stirnflächen 43, 47 erzeugt werden, die zu einer Bewegung des Doppelkopfservokolbens 40 einschließlich der ersten und zweiten Kolbenköpfe 42, 46 und der Kolbenstange 41 führt, die zumindest mit einem der Kolbenköpfe 42, 46 verbunden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Servofedern 50 auf gegenüberliegenden Seiten der Zylinderbohrungsachse 14 zwischen den ersten und zweiten nach innen zeigenden Stirnflächen 44 und 48 der Kolbenköpfe 42, 46 des Servokolbens 40 angeordnet. Jede der Servofedern 50 stützt sich gegen zwei Federsitze 52, 54 ab, wobei sich einer auf jeder Seite der Servofedern 50 befindet. Die Federsite 52, 54 weisen einen radial äußeren Bereich 56 auf, der in seiner zentrierten/anfänglichen Position gegen Endflächen 22 und 32 der Abschlusskappen 20, 30 gedrückt wird, sodass die Servofedern 50 zwischen den Abschlusskappen 20, 30 zentriert sind. Auf einer der Feder abgewandten Seite können radial innere Bereiche 58 der Federsitze 52, 54 durch die ersten und zweiten nach innen zeigenden Stirnflächen 44 und 48 der Kolbenköpfe 42, 46 berührt werden.
In einer zentrierten Position der Servoeinheit gemäß der Erfindung stehen die Federn 50 auf beiden Seiten in Kontakt mit den ersten und zweiten Federsitzen 52, 54, die mit ihren radial äußeren Bereichen 56 in Kontakt mit den Endflächen 22 und 32 der Abschlusskappen 20 und 30 sowie mit ihren radial inneren Bereichen 58 in Kontakt mit den Kolbenköpfen 42 und 46 stehen. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die Mittelstellung eingestellt werden kann, wenn die Position der inneren Endflächen 22, 32 der Abschlusskappen 20, 30 verändert wird, wobei beispielsweise der Abstand zwischen den beiden Abschlusskappen 20, 30 konstant gehalten werden kann. Jedoch kann es abhängig von der Anwendung ebenso erwünscht sein, den Abstand zwischen den inneren Endflächen 22, 32 der beiden Abschlusskappen 20, 30 zu verändern, um die Vorspannung der Servofedern 50 anzupassen. Dies wird zu einem stärkeren oder weniger starken Rückstellverhalten führen, wie im nächsten Abschnitt gezeigt wird.
Jeder Kolbenkopf 42, 46 kann, wenn er auf seiner nach außen weisenden Stirnfläche 43, 47 mit Druck beaufschlagt wird, die Federn 50 mittels einer Bewegung in Richtung der Feder 50 bzw. in Richtung der anderen (nicht unter Druck stehenden) Druckkammer 25 oder 35 zusammendrücken, da die Bewegung über die Federsitze 52, 54 auf die benachbarten Enden der Federn 50 übertragen wird. Jedoch stützen sich die Federn 50 gegen die Endflächen 22 und 32 der Abschlusskappen 20 und 30 über die radial äußeren Bereiche 56 der Federsitze 52, 54 gegen die gegenüberliegende Seite der Servofedern 50 ab. Dies führt - mit fortschreitender Bewegung - zu einem steigenden Zusammendrücken der Servofedern 50, die in der Folge eine Kraft ausüben, die der Bewegung des Servokolbens 40 entgegenwirkt. Der Servokolben 40 wird sich solange bewegen, solange die entgegenwirkenden Federkräfte niedriger sind als das Ergebnis des hydraulischen Kräftegleichgewichts auf den nach außen zeigenden Stirnflächen 43, 47. Wenn die Federkraft und die resultierende hydraulische Kraft gleich groß sind, verweilt der Servokolben 40 in seiner derzeitigen Position. Wenn der Servokolben 40 jedoch von seiner Mittelstellung ausgelenkt wird und die resultierende hydraulische Kraft kleiner als die rückstellende Federkraft ist, beispielsweise wenn Hydraulikflüssigkeit von der unter Druck stehenden Kammer abgelassen wird, wird der Servokolben 40 durch die Kraft der Servofedern 50 in seine Mittelstellung zurückgedrückt. Dabei nehmen die Federkräfte mit fortschreitender Bewegung in Richtung der Mittelstellung ab, bis der Servokolben 40 seine mittlere/anfängliche Position erreicht, in der der zugehörige Federsitz 52 oder 54 die inneren Endflächen 22 oder 32 der Abschlusskappen 20 oder 30 berührt, die vorher als Druckkammer 25 oder 35 gedient haben.
In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, ragt die Kolbenstange 41 durch die ersten Druckkammer 25 zur Außenseite des Gehäuses 10 vor. Wenn die beiden Kolbenköpfe 42, 46 den gleichen Durchmesser aufweisen, wären unterschiedliche Servodrücke in den abgedichteten Druckkammern 25 und 35 nötig, um den gleichen Bewegungsweg des Servokolbens 40 zu erhalten. In der Ausgestaltung nach 1 ist der Teil der Oberfläche der beiden nach außen zeigenden Stirnflächen 43, 47, auf die Druck wirken kann, gleich groß, da kein Druck auf den Bereich der Fläche wirken kann, der durch die Verbindung der Kolbenstange 41 mit dem Kolbenkopf 42 abgedeckt ist.
Um die modulare Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Servoeinheit zu verbessern, ist es wünschenswert, ein Druckflächengrößenverhältnis gleich 1 zwischen den beiden nach außen zeigenden Stirnflächen 42, 46 herzustellen. Das heißt, dass eine bestimmte Druckdifferenz zu einer bestimmten Bewegung des Servokolbens führt, unabhängig davon, welche Druckkammer 25, 35 den höheren Druck aufweist. Deshalb weist in der Ausführungsform gemäß 1 der erste Kolbenkopf 42 einen größeren Durchmesser auf als der zweite Kolbenkopf 46. Dies kompensiert den Oberflächenverlust durch die Anbindung der Kolbenstange und führt zu einer gut ausgeglichenen Bewegung unabhängig von der Bewegungsrichtung.
Gemäß der Erfindung weisen die Druckkammern 25, 35 der Servoeinheit 1 hydraulische Anschlüsse, d.h. zumindest einen Ablassanschluss 67 und zumindest einen Versorgungsanschluss 66, auf, die direkt mit einer hydraulischen Senke 70 und/oder einem hydraulischen Reservoir 70 verbunden werden können. Obwohl 1 keine zusätzlichen hydraulischen Bauteile zeigt, die zwischen der hydraulischen Quelle/Reservoir 60, 70 und den Druckkammern 25, 35 angeordnet sind, deckt das erfinderische Konzept die Idee ab, andere hydraulische Schaltkreise zwischen den Anschlüssen der Servoeinheit 1 anzuordnen, beispielsweise einen Steuerkreis einer hydraulischen Steuerbaugruppe.
2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydraulischen Servoeinheit 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Druckkammern 25, 35 der Servoeinheit 1 mit der Druckquelle 60 und dem hydraulischen Behälter 70 über Steuerventile 63, 64 verbunden, wobei der Auslass 68 eines ersten Steuerventils 63 hydraulisch mit der ersten Druckkammer 25 und der Auslass 68 eines zweiten Steuerventils 64 hydraulisch mit der zweiten Druckkammer 35 verbunden ist. Jedes Steuerventil 63, 64 weist einen Versorgungsanschluss 66 auf, der mit einer Druckquelle 60 verbunden ist, beispielsweise einer Speisedruckleitung, und einen Ablassanschluss 67, der mit einem hydraulischen Reservoir 70 verbunden ist, beispielsweise einem hydraulischen Tank.
In einem drucklosen Zustand sind die Steuerventile 63, 64 gemäß der Ausgestaltung nach 2 in einer ersten, geschlossenen Stellung, in der die zugehörigen Druckkammern 25, 35 über die Steuerventile 63, 64 hydraulisch mit dem hydraulischen Reservoir 70 verbunden sind. In einer zweiten, offenen Stellung eines der Steuerventile 63 oder 64 ist eine zugehörige Druckkammer 25, 35 mit der Druckquelle 60 verbunden und ein Servodruck wird von einem der Steuerventile 63, 64 von dessen Versorgungsanschluss 66 über den Auslass 68 zu der Druckkammer 25 oder 35 geleitet. Die jeweilige andere Druckkammer 35 oder 25 verbleibt auf dem Druckniveau des hydraulischen Reservoirs 70, da das zweite Steuerventil 64 oder 63 in seiner ersten, geschlossenen Stellung verweilt, in der der Versorgungsanschluss 66 geschlossen ist und das Ablassen von Hydraulikfluid von der zugehörigen Druckkammer 35 oder 25 zum hydraulischen Reservoir 70 ermöglicht ist.
Jedes Steuerventil 63, 64 weist zwei Stirnflächen auf, auf die Betätigungskräfte aufgebracht werden können. Auf einer ersten Stirnfläche ist eine Steuerventilfeder 65 angeordnet, die sich gegen die Stirnfläche abstützt und die die Steuerventile 63, 64 in ihrer ersten, geschlossenen Stellung hält, solange wie eine Betätigungskraft, die auf die gegenüberliegende zweite Stirnfläche aufgebracht wird, niedriger ist als die Federkraft auf der gegenüberliegenden Fläche. Zusätzlich kann eine hydraulische Feedbackleitung 69 Hydraulikdruck vom Auslass 68 der Steuerventile 63, 64 zur ersten Stirnfläche leiten. Dieser Hydraulikdruck bewirkt eine zusätzliche schließende Kraft auf den Steuerventilschieber, die proportional zum Servodruck ist, der in eine der Druckkammern 25 oder 35 geleitet wird.
Auf den entgegengesetzten zweiten Stirnflächen der Steuerventile 63, 64 sind Aktuatoren 62 angeordnet, die auf die Stirnflächen mit einer öffnenden Betätigungskraft wirken können, sodass die Steuerventile 63, 64 in ihre zweite Stellung geschaltet werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Aktuatoren 62 Elektromagneten, die ein elektrisches Steuersignal von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) erhalten und eine entsprechende Kraft auf die zweite Stirnfläche ausüben. Obwohl in 2 Elektromagneten als Aktuatoren 62 gezeigt sind, sind auch andere Arten von Aktuatoren vom erfindungsgemäßen Konzept umfasst, beispielsweise mechanische Aktuatoren oder hydraulische Aktuatoren.
3 offenbart eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Servoeinheit 1. Das Gehäuse 10 in diesem Ausführungsbeispiel weist eine Gehäusebasis 11 und einen Gehäusedeckel 15 auf, der mit der Gehäusebasis 11 in einer fluiddichten Weise verbunden ist. Aufmerksamkeit wird auf die ersten und zweiten Abschlusskappen 20, 30 gelenkt, die durch Gewinde aufgenommen sind, die in Bohrungen 12 des Gehäuses 10 angeordnet sind. Diese Gewinde ermöglichen es, die relative Position der Abschlusskappen 20, 30 zueinander unabhängig einzustellen. Die Verbindungsflächen zwischen Abschlusskappen 20, 30 und Gehäuse 10 können gegen austretende Flüssigkeit abgedichtet sein, genau wie die Verbindungsflächen zwischen den Kolbenköpfen 42 und 46 und den Abschlusskappen 20, 30. Auch wenn in 3 nicht gezeigt, ist es von der Erfindung umfasst, zumindest eine der Abschlusskappen 20, 30 einteilig mit dem Gehäuse 10 auszuführen, im Speziellen mit der Gehäusebasis 11 und/oder dem Gehäusedeckel 15.
Die Federsitze 52, 54 gemäß der Ausgestaltung, die in 3 gezeigt ist, weisen einen T-förmigen Querschnitt auf, der auf einer Seite einen großflächigen Kontaktbereich für die Servofedern 50 bereitstellt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Federsitze 52, 54 ist ein radial äußerer Bereich 56 angeordnet, der durch die Abschlusskappen 20, 30 berührt wird. Zusätzlich ist ein hohlzylinderförmiger, radial innerer Bereich 58, vorgesehen, der gleichzeitig als Führung für die Bewegung des Servokolbens 40 in Richtung der Bohrungslängsachse 14 dienen kann.
Der in 3 gezeigte Servokolben 40 weist grundsätzlich eine knochenähnliche Form mit einer zentralen Längsbohrung 45 auf, in der die Kolbenstange 41 aufgenommen ist. Die Kolbenstange 41 ist auf demontierbare Weise an dem zweiten Kolbenkopf 46 angebracht, unter Verwendung einer Schraube, die durch ein Gewinde, das in der Kolbenstange 41 angeordnet ist, aufgenommen ist. Die Kolbenstange 41 ragt nach außen aus dem Gehäuse 10 auf der gegenüberliegenden Seite der Servoeinheit 1 vor. Eine mehrteilige Ausführung des Kolbens 40 kann den Montageprozess der Servoeinheit 1 vereinfachen, speziell wenn nur eine Servofeder 50 oder einteilige umlaufende Federsitze 52, 54 verwendet werden, die den knochenähnlichen Servokolben 40 umgeben. Dann stellt das Aufspalten der beiden Kolbenköpfe 42, 46 in unterschiedliche Montageeinheiten die Möglichkeit bereit, die umlaufenden Teile auf dem knochenförmigen Kolben anzuordnen. Eine einteilige Konstruktion des Doppelkopfservokolbens 40 ist jedoch ebenfalls von der Erfindung erfasst. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehr als eine Servofeder 50 eingesetzt wird und die Federsitze 52, 54 in Umfangsrichtung in mehr als einen Bereich aufgeteilt sind.
4 zeigt eine isometrische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer hydrostatischen Servoeinheit 1 gemäß der Erfindung. Die erfindungsgemäße Servoeinheit 1 weist ein zweiteiliges Gehäuse 10 mit einer Gehäusebasis 11 und einem Gehäusedeckel 15 auf. Die beiden Gehäuseteile sind auf lösbare Weise unter Verwendung von Schrauben verbunden. Auf einer Seite des Gehäuses 10 ist das nach außen vorstehende Ende der Kolbenstange 41 sichtbar. Die Kolbenstange 41 ist in der Gehäusebasis 11 und/oder dem Gehäusedeckel 15 aufgenommen, sodass sie entlang der Zylinderbohrungsachse 14 beweglich ist. Jedoch ist es wichtig, dass keine Flüssigkeit durch die Lagerung der Kolbenstange 41 austreten kann.
Ein Versorgungsanschluss 66 und ein Ablassanschluss 67 sind seitlich am Gehäuse 10 angeordnet. Diese beiden Anschlüsse erlauben eine Fluidverbindung der Druckkammern 25, 35 der erfindungsgemäßen Servoeinheit 1 mit einer hydraulischen Druckquelle 60 und mit einem hydraulischen Behälter 70, sodass der Doppelkopfkolben 40 der Servoeinheit 1 bewegt werden kann, indem Servodruck in eine der Druckkammern 25, 35 geleitet wird und Hydraulikfluid aus der anderen Druckkammer 25, 35 abgeleitet wird. Jedoch werden in der in 4 dargestellten Ausgestaltung die Steuerventile 63, 64 (in 4 nicht sichtbar) verwendet, um den Flüssigkeitsstrom zu den Druckkammern 25, 35 zu steuern. Die Steuerventile 63, 64 werden beispielsweise durch Elektromagneten 62 betätigt, die ein elektrisches Eingangssignal in eine mechanische Kraft umwandeln, die auf eine Stirnfläche des einen Steuerventilschiebers wirkt, um diesen zu bewegen.
In 5 ist ein hydrostatisches Getriebe 110 mit zwei verstellbaren hydrostatischen Verdrängungseinheiten 100 gezeigt. Die allgemeine Funktionsweise eines hydrostatischen Getriebes ist einem Fachmann bekannt. In der Ausgestaltung der 5 weist das hydrostatische Getriebe 110 eine hydraulische Pumpe 100 mit einem verstellbaren Verdrängungsvolumen auf, die Hydraulikfluid unter Zuhilfenahme von mechanischer Energie zu einem hydrostatischen Motor mit beispielsweise konstanter Verdrängung fördert. Der Motor wandelt die Energie, die in dem Fluid gespeichert ist, in mechanische Rotationsenergie um. Das Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes 110 wird durch Anpassung des Verdrängungsvolumens der Pumpe 100 verändert, die in der Folge mehr oder weniger hydraulischen Flüssigkeitsstrom zum Motor fördert. In der beschriebenen Ausführungsform wird das Verdrängungsvolumen durch eine Rotation von Verdrängungssteuermitteln 102 angepasst, in diesem Fall einer Schrägscheibe mit einem Steuerwelle, der an der Schrägscheibe angebracht ist und von der Pumpe 100 nach außen vorsteht. Jedoch sind andere Arten von hydrostatischen Getriebeeinheiten 110, die eine andere Anzahl, Bauart oder Anordnung von Pumpen oder Motoren verwenden könnten, ebenfalls vom erfinderischen Konzept umfasst.
Die Verdrängungssteuerungsmittel 102 der hydrostatischen Einheit 100 gemäß der Erfindung werden mittels einer erfindungsgemäßen Servoeinheit 1 verschwenkt. Die hydrostatische Servoeinheit 1 ist außen am Gehäuse 106 der gesteuerten hydrostatischen Einheit 100 angeordnet. Deshalb ragt die Steuerwelle der Verdrängungssteuermittel 102 zur Außenseite des Gehäuses 106 des hydrostatischen Getriebes vor. Die Verdrängungssteuermittel 102 sind mit ihrem nach außen zeigenden Ende exzentrisch mit der Kolbenstange 41 einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Servoeinheit 1 gekoppelt, die ebenfalls außerhalb des Gehäuses 106 angeordnet ist. Der exzentrische Mechanismus 104 wandelt Linearbewegungen der Kolbenstange 41 in Rotationsbewegungen der Verdrängungssteuermittel 102 um. Jedoch sind andere mechanische Methoden, um Linearbewegung der Kolbenstange 41 in Rotationsbewegung des Steuerstabes umzuwandeln, einem Fachmann bekannt, wie z. B. ein Hebel oder Nockensystem. Sogar elektronische oder hydraulische Konzepte, z. B. ein Sensor-Aktor-System, das die linear bewegliche Kolbenstange mit den rotatorisch ablenkbaren Steuermitteln 102 koppelt, können eingesetzt werden.
In 5 sind zwei unterschiedliche Konzepte, um die Druckkammern 25, 35 des Servokolbens 1 mit Druck zu beaufschlagen, gezeigt. Die Aktuatoren 62 der Steuerventile 63, 64 sind an den Seitenflächen des Gehäuses 10 angeordnet, wie schon aus 4 bekannt. Zusätzlich kann die Servoeinheit 1 durch die Verwendung von Fahrpedalen 61 betätigt werden. Die Pedale 61 sind mit den Druckkammern 25, 35 der Servoeinheit 1 über einen hydraulischen Unterkreis, beispielsweise ein Steuerventil, das nicht abgebildet ist, verbunden.
Zusammenfassend wird mit der hydrostatischen Servoeinheit 1 gemäß der Erfindung eine robuste und kosteneffiziente Servoeinheit bereitgestellt, die eine gute Möglichkeit sicherstellt, die Mittelstellung der Servoeinheit an die Neutralposition der hydraulischen Einheit, die von der erfindungsgemäßen Servoeinheit gesteuert werden soll, anzupassen. Die Erfindung stellt des Weiteren eine flexiblere Konstruktion einer hydraulischen Einheit bereit, da die erfindungsgemäße Servoeinheit für eine Vielfalt von Geräten als standardisierte Servoeinheit einsetzbar ist. Deshalb können speziell Geräte kleiner konstruiert werden, da die Servoeinheit entfernt von der hydraulischen Einheit montiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Hydrostatische Servoeinheit
10: Gehäuse
11: Gehäusebasis
12: Längsbohrung
14: Bohrungslängsachse
15: Gehäusedeckel
20: Erste Abschlusskappe
22: Innere Endfläche der ersten Kappe
25: Erste Druckkammer
30: Zweite Abschlusskappe
32: Innere Endfläche der zweiten Kappe
35: Zweite Druckkammer
40: Doppelkopfservokolben
41: Kolbenstange
42: Erster Kolbenkopf
43: Erste nach außen zeigende Stirnfläche
44: Erste nach innen zeigende Stirnfläche
45: Längsbohrung
46: Zweiter Kolbenkopf
47: Zweite nach außen zeigende Stirnfläche
48: Zweite nach innen zeigende Stirnfläche
50: Servofeder
52: Erster Federsitz
54: Zweiter Federsitz
56: Radial äußerer Bereich
58: Radial innerer Bereich
60: Druckquelle
61: Pedal
62: Aktuator
63: Erstes Steuerventil
64: Zweites Steuerventil
65: Steuerventilfeder
66: Einlassanschluss
67: Auslassanschluss
68: Auslass
69: Hydraulische Feedback Leitung
70: Hydraulischer Behälter
100: Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit
102: Verdrängungssteuermittel
104: Exzentrischer Mechanismus
106: Gehäuse
110: Hydrostatisches Getriebe

Claims

Hydrostatische Servobaueinheit (1) für die Anordnung innerhalb, außerhalb oder beabstandet zu einer verstellbaren, hydrostatischen Verdrängungseinheit (100), wobei die Servoeinheit (1) ein Gehäuse (10) mit zwei zylindrischen Druckkammern (25, 35) aufweist, die koaxial entlang einer Bohrungslängsachse (14) angeordnet sind und auf beiden Seiten des Gehäuses (10) mittels zweier Abschlusskappen (20, 30) ausgebildet sind, wobei jede innen durch einen Kolbenkopf (42, 46) eines Doppelkopfservokolbens (40) verschlossen ist, sodass die nach außen zeigenden Stirnflächen (43, 47) der Kolbenköpfe (42, 46) mit Druck beaufschlagt werden können, um den Servokolben (40) entlang der Bohrungslängsachse (14) zu bewegen, wobei eine Kolbenstange (41) aus dem Gehäuse (10) der Servobaueinheit (1) nach außen vorsteht, und wobei des Weiteren jede Druckkammer (25, 35) hydraulisch mit einer Druckquelle (60) derart verbunden ist, dass Servodruck wechselseitig an die Druckkammern (25, 35) bereitgestellt werden kann, und derart hydraulisch mit einem hydraulischen Behälter (70) verbunden ist, um Hydraulikflüssigkeit aus jener Druckkammer (25, 35) abzulassen, die nicht mit Servodruck beaufschlagt ist, und wobei zumindest eine Servofeder (50) zwischen den beiden Kolbenköpfen (42, 46) mittels zweier Federsitze (52, 54) angeordnet ist, von denen sich auf jeder Seite einer befindet, wobei deren bezüglich der Bohrungslängsachse (14) radial äußere Bereiche (56) sich gegen die Abschlusskappen (20, 30) abstützen, und deren radial innere Bereiche (58) durch die Kolbenköpfe (42, 46) beweglich sind, um die Servofeder (50) zusammenzudrücken, wenn eine der Druckkammern (25, 35) mit Servodruck beaufschlagt wird.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach Anspruch 1, bei der die beiden Kolbenköpfe (42, 46) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die nach außen zeigenden Stirnflächen (43, 47) der Kolbenköpfe (42, 46) hinsichtlich Oberflächengröße, auf die Druck wirken kann, gleich sind.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Doppelkopfservokolben (40) im Wesentlichen knochenförmig ist und eine mittige Längsbohrung (45) aufweist, in der die Kolbenstange (41) aufgenommen ist, wobei die Kolbenstange (41) lösbar an einem der Kolbenköpfe (42, 46) angebracht ist und auf der anderen Seite des knochenförmigen Servokolbens (40) aus dem Gehäuse (10) nach außen vorragt.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zusätzliche Federn und/oder Dämpfer in zumindest einer der Druckkammern (25, 35) angeordnet sind.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Druckquelle (60) zum Bereitstellen eines einstellbaren Servodrucks ein hydraulisches Fahrpedal, ein elektronisch gesteuerter Verdrängerkreis, ein hydraulischer Steuerkreis oder irgendein erhöhter Systemdruck einer hydraulischen Vorrichtung ist, wie ein Speisedruck, der von einer Speisedruckpumpe bereitgestellt wird.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach Anspruch 6, bei der der erhöhte Systemdruck über Steuerventile (63, 64) zu jeder der Druckkammern (25, 35) geleitet und von diesen abgelassen wird, wobei jedes der Steuerventile (63, 64) durch einen Aktuator (62) steuerbar ist.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach Anspruch 7, bei der die Aktuatoren (62) hydraulische, mechanische oder elektromagnetische Aktuatoren sind.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der die Steuerventile (63, 64) mit Druckkompensationsmitteln ausgestattet sind.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Kraft, die von der Servofeder (50) aufgebracht wird, und/oder eine Mittelstellung des Doppelkopfservokolbens (40) mittels der Abschlusskappen (20, 30) einstellbar ist/sind.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zumindest eine der Abschlusskappen (20, 30) einteilig mit dem Gehäuse (10) und/oder einem Gehäusedeckel (15) ausgebildet ist.
Hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Servokolben (40) und die Servokolbenstange (41) einteilig als ein Teil ausgebildet sind.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) aufweisend eine hydrostatische Servoeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, bei der die Kolbenstange (41) der Servoeinheit (1) mechanisch an Verdrängungsvolumensteuermittel (102) der hydrostatischen Einheit (100) angebunden ist.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) nach Anspruch 13, bei der die mechanische Verbindung Linearbewegungen der Kolbenstange (41) in Rotations- oder Schwenkbewegungen der Verdrängungsvolumensteuermittel (102) umwandelt.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) nach Anspruch 14, bei der die mechanische Verbindung einen exzentrischen Mechanismus (104), einen Nockenmechanismus und/oder einen Hebelmechanismus aufweist.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Servoeinheit (1) innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses (106) der hydrostatischen Einheit (100) angeordnet ist und die Verdrängungsvolumensteuermittel (102) im Wesentlichen innerhalb der Verkleidung (106) der hydrostatischen Einheit (100) angeordnet sind.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die hydrostatische Einheit (100) eine hydrostatische Pumpe oder ein hydrostatischer Motor ist.
Verstellbare hydrostatische Verdrängungseinheit (100) nach Anspruch 17, bei der die hydrostatische Einheit (100) in Axialkolben- oder Radialkolbenbauart ausgeführt ist.
Hydrostatisches Getriebe aufweisend zumindest eine hydraulische Einheit (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die hydrostatischen Einheiten (100) über einen offenen oder einen geschlossenen Kreislauf verbunden sind.
Verwendung einer hydrostatischen Servoeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, um eine hydrostatische Einheit, ein hydrostatisches Getriebe im offenen oder geschlossenen Kreislauf, eine Lenkvorrichtung, einen Klappenmechanismus, oder eine beliebige andere bidirektionale bewegliche Vorrichtung/Mechanismus zu steuern.
Arbeitsmaschine aufweisend eine hydrostatische Einheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18 oder ein hydraulisches Getriebe nach Anspruch 19, bei der die Steuerventile (60, 65) der Servoeinheit (1) gemäß Befehlssignalen gesteuert werden, die von einem Bediener der Arbeitsmaschine an eine Steuereinheit gegeben werden.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 21, bei der die Arbeitsmaschine eine landwirtschaftliche Maschine, ein Bagger, ein Teleskoplader oder eine Off-Road-Maschine ist.