DE102021124684A1

DE102021124684A1 - Axialkolbenmaschine mit Steuerventil zur Einstellung des Schrägwinkels der Schrägscheibe

Info

Publication number: DE102021124684A1
Application number: DE102021124684.9A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wohlhauser
Original assignee: Liebherr Machines Bulle SA
Current assignee: Liebherr Machines Bulle SA
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-04-07
Also published as: US12078165B2; US20220106946A1; CN113898549A; CH717936A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine umfassend:eine Triebwelle, ein damit drehfest verbundenes Triebwerk mit ein oder mehreren darin aufgenommenen Triebwerkskolben, deren Kolbenhub durch eine Schrägscheibe einstellbar ist, wobei eine mechanische Stelleinheit zur Änderung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe vorgesehen ist, die mittels eines extern steuerbaren Steuerventils hydraulisch betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellkammer des Steuerventils zur hydraulischen Druckbeaufschlagung der Stelleinheit über eine radiale Stelldruckbohrung im Steuerkolben des Steuerventils je nach Schaltzustand mit einem Hochdruckeingang oder Niederdruckeingang des Steuerventils verbindbar ist, wobei im Regelbetrieb bei aktiver externer Ansteuerung des Steuerventils wahlweise eine Verbindung zwischen Hochdruckeingang und radialer Stelldruckbohrung über eine erste Steuerkante oder eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine zweite Steuerkante herstellbar ist, während in einem Notbetrieb ohne aktiver externer Steuerung eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine dritte Steuerkante herstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine umfassend eine Triebwelle, ein damit drehfest verbundenes Triebwerk mit ein oder mehreren darin axial verschieblich aufgenommenen Triebwerkskolben, deren Kolbenhub durch eine Schrägscheibe der Axialkolbenmaschine einstellbar ist, wobei eine mechanische Stelleinheit zur Änderung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe vorgesehen ist, die mittels eines extern ansteuerbaren Steuerventils der Axialkolbenmaschine hydraulisch betätigbar ist.
Unter den Begriff der Axialkolbenmaschine fallen sowohl eine Axialkolbenpumpe als auch ein Axialkolbenmotor. Eine spezielle Bauart einer Axialkolbenmaschine ist die Schrägscheibenmaschine, diese ein Triebwerk in Form einer Triebwerkstrommel umfasst, in dieser mehrere Triebwerkskolben in entsprechenden Zylinderbohrungen des Triebwerks axial verschieblich gelagert sind. Das Triebwerk ist drehfest mit der Triebwelle der Axialkolbenmaschine verbunden, diese beispielsweise in der Betriebsart Pumpe durch mechanische Arbeit in Rotation versetzt wird. Im Pumpenbetrieb vollziehen die Kolben während eines halben Umlaufs eine zur Rotationsachse parallele Hubbewegung, um dadurch von der Niederdruckseite Hydraulikflüssigkeit anzusaugen, wohingegen sie den anderen halben Umlauf einer Vollrotation um die Rotationsachse eine Senkbewegung ausführen und dadurch das angesaugte Hydraulikfluid der Hochdruckseite zuführen. In der Betriebsart Motor wird das Wirkprinzip einfach umgekehrt, indem durch eine gesteuerte Druckbetätigung der Triebwerkskolben eine Rotationsbewegung der Welle erzeugt wird.
Zur Volumen- bzw. Leistungssteuerung der Axialkolbenmaschine wird der maximale Hub der Triebwerkskolben mit Hilfe einer sogenannten Schrägscheibe, auch als Schwenkwiege bezeichnet, begrenzt. Der die Hubbewegung ausführende Triebwerkskolben ist bei einem Umlauf um die Rotationsachse ständig parallel zu dieser ausgerichtet und wird mit Hilfe eines Gleitschuhs, der an den Kolben gelenkig angebracht ist, an die von der Schrägscheibe und der Rückzugsplatte vorgegebene Bewegung gezogen bzw. gedrängt. Dabei dreht sich die Schrägscheibe nicht mit dem Kolben mit, sodass die an dem Kolben befestigten Gleitschuhe eine Gleitbewegung auf der den Gleitschuhen zugewandten Fläche der Schrägscheibe vollziehen.
Über den Schwenkwinkel der Schrägscheibe gegenüber der Rotationsachse lässt sich somit der maximale Hub der verwendeten Triebwerkskolben einstellen. Die erforderliche Stellbewegung der Schrägscheibe wird durch eine spezielle Stelleinheit erreicht, die mechanisch auf die Schrägscheibe einwirkt und diese gegenüber der Rotationsachse entsprechend verschwenkt. Die aufgebrachte mechanische Stellkraftkraft wird über ein Steuerventil eingestellt, das der Stelleinheit vorgeschaltet ist und die Stelleinheit mit einem einstellbaren hydraulischen Stelldruck beaufschlagt.
Das integrierte Steuerventil umfasst einen externen Steuereingang, um den benötigten Schwenkwinkel zentral durch eine Steuerung der Anwendung einstellen zu können. Ein Ausfall der externen Ansteuerung kann im Extremfall zum Stillstand der Axialkolbenpumpe führen. Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, dass Steuerventils mit einer entsprechenden Notfallfunktion auszuführen, die bei Wegfall der externen Ansteuerung zumindest einen Notfallbetrieb der Axialkolbenmaschine sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird für die gattungsgemäße Axialkolbenmaschine vorgeschlagen, die Stellkammer des Steuerventils, in dieser das benötigte Druckniveau für die hydraulische Betätigung der nachgeordneten Stelleinheit zur Einstellung des Schwenkwinkels vorherrscht, über wenigstens eine radiale Stelldruckbohrung des Steuerkolbens des Steuerventils, wahlweise mit einem Hochdruck- oder Niederdruckeingang des Steuerventils zu verbinden. Wird beispielsweise die Stelldruckbohrung und damit die Stellkammer mit dem Hochdruckeingang des Steuerventils verbunden, kann das Druckniveau innerhalb der Stellkammer erhöht werden und dementsprechend eine stärkere Kraft auf die nachgeordnete Stelleinheit zur Verstellung des Schwenkwinkels in eine Richtung vorgegeben werden. Wird stattdessen die Stelldruckbohrung mit dem Niederdruckeingang des Steuerventils verbunden, kann eine Veränderung des Schwenkwinkels in die entgegengesetzte Richtung erzielt werden.
Die Position des Steuerkolbens wird über die externe Ansteuerung variiert. Dies kann hydraulisch oder auch elektromagnetisch erfolgen.
Konkret ist vorgesehen, dass eine Fluidverbindung zwischen Hochdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine erste Steuerkante des Steuerkolbens bereitgestellt wird, während eine fluide Verbindung zwischen Stelldruckbohrung und Niederdruckeingang über eine zweite Steuerkante des Steuerkolbens erfolgt. Kommt es zum Ausfall der externen Ansteuerung des Steuerventils, bewegt sich der Steuerkolben des Steuerventil in eine Notposition, in dieser eine fluide Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine dritte Steuerkante des Steuerkolbens hergestellt wird. Gleichzeitig wird in dieser Position mittels einer vierten Steuerkante der Durchfluss von der Hochdruckbohrung zur Stelldruckbohrung gesperrt.
Idealerweise verhält es sich so, dass bei Vorliegen eines Niederdruckniveaus in der Stellkammer des Steuerventils die Schrägscheibe auf den maximalen Schwenkwinkel eingestellt wird, sodass im Notbetrieb noch die volle Leistung der Axialkolbenmaschine abgerufen werden kann. Dies ist zwar energetisch ungünstig, gewährleistet jedoch, dass die mit der Axialkolbenmaschine betriebene Maschine weiter leistungsfähig ist.
Die vorgeschlagene Konstruktionsweise des Steuerventils ist besonders einfach und wenig fehleranfällig, da insbesondere das Ventilgehäuse für die Umsetzung der Notfunktion unverändert bleiben kann. Es wird lediglich eine weitere Steuerkante für den Notfallbetrieb bereitgestellt. Dies ist jedoch vor allem dadurch möglich, dass für den Stelldruck und die Fluidzuführung zur Stellkammer eine Radialbohrung durch den Stellkolben eingesetzt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Steuerkolben des Steuerventils als Hohlkolben, insbesondere als topfförmiger Hohlkolben ausgestaltet. Für die radiale Stelldruckbohrung besteht eine Fluidzuführung vom Außenumfang des Steuerkolbens in den Hohlraum, wobei der Hohlraum dauerhaft mit der Stellkammer des Steuerventils verbunden ist. Gemäß vorteilhafter Ausbildung wird die Stellkammer durch die Schnittstelle des Steuerventils mit der nachgeordneten Stelleinheit gebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Steuerkolben mit mehreren Nuten, insbesondere Radialnuten auf dem Außenumfang konstruiert sein. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, wenn wenigstens eine Stelldrucknut, eine Hochdrucknut als auch eine Niederdrucknut vorgesehen sind, die über dazwischenliegende Stege voneinander getrennt sind. Ferner umfasst das Ventilgehäuse eine geeignete Verbindungsnut in der Innenwandung der Bohrung für die Aufnahme des Steuerkolbens. Im Regelbetrieb kann dadurch eine Verbindung zwischen Hochdruckeingang und Stelldruckbohrung über die Hochdrucknut, die in die Gehäusewandung eingebrachte Verbindungsnut so wie die Stelldrucknut erzeugt werden. Eine Verbindung im Regelbetrieb zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung wird demgegenüber über die Niederdrucknut, dieselbe Verbindungsnut in der Innenwandung des Ventilgehäuses und die Stelldrucknut erzeugt. Im Notbetrieb wird hingegen eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung unmittelbar über die Stelldrucknut ermöglicht.
Innerhalb des Hohlraums des Steuerkolbens ist vorzugsweise wenigstens eine Rückkopplungsfeder angeordnet, deren Federkraft einer durch die externe Steuerung des Steuerventils erzeugten Stellkraft (bspw. Stelldruck) auf den Steuerkolben entgegenwirkt. Die Federkraft wird beispielsweise bei zunehmendem Schrägwinkel der Schrägscheibe durch die mechanische Rückkraft der Stelleinrichtung verstärkt.
Im Regelbetrieb liegt ein Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft bzw. der Rückstellkraft der Stelleinrichtung einerseits und der durch den Stelldruck erzeugten Kraft auf den Steuerkolben als auch der mechanischen Kraft durch die externe Ansteuerung andererseits vor, sodass die Position des Kolbens ohne Änderung der externen Ansteuerung stationär bleibt. Um ein solches Kräftegleichgewicht zu erzeugen, kann der Steuerkolben auf seiner der Stelleinrichtung gegenüberliegenden Stirnseite eine zusätzliche Wirkfläche aufweisen, die mit einem entsprechenden Druckvolumen beaufschlagt wird, das der Rückstellkraft der Feder entgegenwirkt. Beispielsweise ist die Sacklochbohrung des Ventilgehäuses für die Aufnahme des Steuerkolbens tiefer als die Kolbenlänge ausgestaltet, sodass zwischen dem Sacklochboden des Ventilgehäuses und der dem Boden zugewandten Stirnfläche des Steuerkolbens das entsprechende Volumen erzeugt werden kann. Idealerweise ist dieses Volumen über eine Axialbohrung durch die genannte Stirnfläche des Steuerkolbens mit dem Hohlraum des Steuerkolbens verbunden, sodass das entsprechende Stelldruckniveau ebenfalls in diesem zusätzlichen Volumen vorliegt. Sinnvollerweise umfasst die Axialbohrung wenigstens eine Durchmesserverengung um durch die dadurch bedingte Drosselwirkung mögliche Druckschwankungen auszugleichen.
Vorstellbar ist es, dass das Steuerventil hydraulisch angesteuert wird, wobei hierfür eine entsprechende Steuerdruckkammer vorzugsweise durch eine Radialnut am Außenumfang des Steuerkolbens gebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Öffnen der ersten Steuerkante ein geringeres Steuerdruckniveau als zum Öffnen der zweiten Steuerkante benötigt.
Wie bereits vorstehend erläutert, wird die Stellkammer des Steuerventils durch die Schnittstelle zwischen Steuerventil und nachfolgender Stelleinheit gebildet. Gemäß einer konkreten Ausführungsform umfasst die Stelleinheit einen entsprechenden Stellkolben, der über eine mechanische Verbindung, bspw. in Form eines Stellhebels auf die Schrägscheibe einwirkt. Die Steuerkammer wird hierbei durch das Volumen zwischen der Wirkfläche des Stellkolbens, die offenen Stirnseite des Steuerkolbens sowie der Gehäusewand gebildet.
Denkbar ist es beispielsweise, dass der Stellkolben an seiner Wirkfläche einen axialen Vorsprung aufweist, der in die offene Stirnseite des Steuerkolbens eindringen kann. Die Sacklochbohrung des Steuerventilgehäuses kann im Bereich der Schnittstelle zur Stelleinheit einen vergrößerten Bohrungsdurchmesser aufweisen. In den so gebildeten Zwischenraum zwischen Steuerkolben und Gehäusebohrung kann wenigstens ein Ring eingebracht sein, der koaxial auf dem Steuerkolben sitzt und dessen Gleitfähigkeit optimiert. Denkbar ist es auch, dass der Ring gleichzeitig als Anschlagsfläche für den Stellkolben der Stelleinheit dient. Der koaxial auf dem Außenumfang des Steuerkolbens sitzende Ring kann mittels einer Wellensicherung zusätzlich gesichert werden.
Das Steuerventil kann generell in Patronenbauweise ausgeführt sein. Von Vorteil ist auch eine lösbare Einbringung des Steuerventils in die Axialkolbenmaschine, d.h. in die vorgesehene Ventilbohrung des Gehäuses der Axialkolbenmaschine. Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Steuerventil, insbesondere ausgeführt in Patronenbauweise, innerhalb der Anschlussplatte der Axialkolbenmaschine angeordnet ist. In besonderer Ausführung ist das Ventil von Aussen in das Gehäuse, insbesondere die Anschlussplatte einschraubbar.
Vorstellbar ist es beispielsweise, dass der Niederdruckeingang des Steuerventils unmittelbar mit dem Hydrauliktank verbunden ist, sodass im Notbetrieb der Stelldruck dem Niederdruck des Tanks entspricht und dadurch der maximale Schrägwinkel der Schrägscheibe vorliegt. Ebenso ist es vorstellbar, dass die Axialkolbenmaschine mit zusätzlichen Ventilkomponenten ausgestattet ist, über diese der Niederdruckeingang des Steuerventils mit dem Hydrauliktank verbunden ist. Denkbar ist hier beispielsweise die Einbindung eines Load Sensing Reglers bzw. einer Druckabschneidung, die entweder integraler Bestandteil der Axialkolbenmaschine oder aber an diese angebaut sein können. Möglich ist natürlich auch eine externe Verschaltung solcher Hydraulikkomponenten mit dem Niederdruckeingang des Steuerventils.
Für den Fall, dass der Niederdruckeingang über derartige Hydraulikkomponenten mit dem Hydrauliktank verbunden ist, kann im Notbetrieb mittels der Load Sensing Stufe bzw. mittels der Druckabschneidung noch eine Regelung der Leistung bzw. des Volumens der Axialkolbenmaschine erfolgen, wenn auch mit geringerer Dynamik.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1: einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
2: ein hydraulisches Schaltbild der Axialkolbenmaschine inklusive Steuerventil mit Notfunktion,
3: eine Detailansicht des Steuerventils der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine im Schnitt,
4: eine Detailansicht eines Steuerventilausschnitts zur Verdeutlichung der Steuerkanten im stationären Zustand,
5: die Detailansicht gemäß 4 bei geöffneter zweiter Steuerkante zwischen Niederdruck- und Stelldruckbohrung,
6: die Detailansicht gemäß 4 bei geöffneter erster Steuerkante zwischen Hochdruck- und Stelldruckbohrung,
7: die Detailansicht gemäß 4 im Notbetrieb mit noch geschlossener dritter Steuerkante und,
8: die Detailansicht gemäß 4 im Notbetrieb mit geöffneter dritter Steuerkante.

1 zeigt einen axialen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Axialkolbenpumpe beschrieben, es wird jedoch explizit darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Merkmale der Erfindung ohne Einschränkung auch bei einem Axialkolbenmotor zum Einsatz kommen können.
Auf der Triebwelle 1 sitzt das sogenannte Triebwerk 2, hier eine Zylindertrommel, in der trommelrevolverartig mehrere mit Hydraulikkolben 3 (genannt Triebwerkskolben 3) bestückte Zylinderbohrungen 4 (genannt Triebwerkszylinderbohrungen 4) eingearbeitet sind. Die Triebwerkskolben 3 stützen sich jeweils über einen Gleitschuh 5 auf der Schrägscheibe 6 (auch Schwenkwiege genannt) ab. Bei einer Rotation des Triebwerks 2 um die Drehachse der Triebwelle 1 gleiten die Triebwerkskolben 3 mittels ihrer Gleitschuhe 5 über die Gleitfläche der feststehenden Schrägscheibe 6 und es kommt zu einer Hubbewegung der Triebwerkskolben 3 in Längsrichtung. Je nach Betriebsart der Axialkolbenmaschine, sprich Pumpen- oder Motorbetrieb, wird dadurch hydraulische Energie oder mechanische Leistung erzeugt.
Für die notwendige Anpresskraft der Gleitschuhe 5 auf die Gleitfläche der Schrägscheibe 6 sorgt eine Rückhaltevorrichtung bestehend aus einer mit dem Triebwerk 2 mitdrehenden Rückzugsplatte 10 sowie der koaxial auf der Triebwelle 1 sitzenden Rückzugskugel 9. Letztere wird per Feder in der Zeichenebene nach links in Richtung der Schrägscheibe 6 gedrückt und stützt sich dabei auf der Rückzugplatte 10 ab. Dadurch steht die Rückzugplatte 10 im ständigen Kontakt mit jedem Triebwerkkolben-Gleitschuh 5 und drückt deren Laufflächen auf die Schrägscheibe 6. Ergänzend wird das Triebwerk 2 durch die Zentralfeder 12 in Richtung der Schrägscheibe 6 gedrückt.
Der Maximalhub der Triebwerkskolben 3 wird durch den Schrägwinkel der Schrägscheibe 6 vorgegeben, der über eine Verstelleinrichtung 20 im Betrieb definiert und kontinuierlich geändert werden kann. Im Leerlaufbetrieb liegt üblicherweise ein Schrägwinkel von 0° vor. In diesem Fall steht die axiale Symmetrielinie der Triebwelle 1 genau senkrecht zu der durch die Gleitfläche der Schrägscheibe 6 aufgespannten Ebene.
Verschwenkt wird die Schrägscheibe 6 durch eine Mechanik 20 umfassend den Stellhebel 21, dieser axialverschieblich innerhalb der Axialkolbenmaschine gelagert ist. Der Stellhebel 21 weist endseitig einen Kugelkopf auf, über diesen der Stellhebel 21 gelenkig mit der Schrägscheibe 6 verbunden ist. Der Stellhebel 21 selbst ist rotationssymmetrisch als auch spiegelsymmetrisch zu einer Vertikalachse ausgeführt und erstreckt sich in Axialrichtung parallel zur Triebwelle 1 von der Schrägscheibe 6 bis zu einem in der Anschlussplatte 11 untergebrachten Steuerventil 30. Unabhängig von der Position des Stellhebels 21 liegt dessen Symmetrieachse immer auf einer Ebene mit der Symmetrieachse der Triebwelle 1.
An dem der Schrägscheibe 6 gegenüberliegenden Stellhebelende ist mittels Kugelkopfverbindung ein Kolben 22 befestigt, dieser innerhalb einer Sacklochbohrung 11a der Anschlussplatte 11 axial verschieblich gelagert ist. Auf seiner der Pfanne gegenüberliegenden Stirnfläche weist der Kolben 22 einen geringen zylindrischen Überstand 23 auf, durch diesen verhindert wird, dass sich der Stellkolben 22 auf der Patrone des nachgelagerten Steuerventils 30 abstützt. Für die Begrenzung der Axialbewegung des Stellhebels 20 sorgen zwei Anschläge im Bereich des Sackloches 11a. Ein erster Anschlag zur Begrenzung des maximalen Förderstroms Qmax wird durch den Boden des Sackloches gebildet, sodass hier der maximale Einschubweg des Stellhebels 21 in das Sackloch 11a hinein begrenzt wird. Ein zweiter Anschlag bildet den Qmin-Anschlag, der durch die Stufe des Gehäuses 8 im Übergang zur Anschlussplatte 11 gebildet wird.
Das verbaute und neuartige Steuerventil 30 wird über einen Steuereingang ST von extern hydraulisch angesteuert. Gezeigt ist dies bspw. im Schaltbild der 2. Der Steuereingang ST des Steuerventils 30 wird durch eine elektrisch angesteuerte Druckreduzierungseinheit 50 mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagt. Sofern bspw. das elektrische Steuersignal E an der Druckreduzierungseinheit 50 ausfällt, bspw. bei einem Kabelbruch, schliesst diese vollständig und der Steuerdruck am Eingang ST des Steuerventils 30 fällt ab. Aus diesem Grund ist das Steuerventil 30 um einen Notbetriebszustand erfindungsgemäß ergänzt, in diesem die Axialkolbenmaschine weiterhin durch andere dem Niederdruckeingang T des Steuerventils 30 hydraulisch vorgeschaltete Ventile 51, 52 gesteuert bzw. geregelt werden kann, dies allerdings mit einer geringeren Dynamik. Sind dem Niederdruckeingang T des Steuerventils 30 keine Ventile 51, 52 vorgeschaltet, arbeitet die Axialkolbenmaschine bei Ausfall des Steuersignals E im Maximalbetrieb. (Das ist zwar energetisch ungünstig, ermöglicht aber einen Weiterbetrieb bzw. vermeidet einen Folgeschaden.)
Bei der hier vorgestellten Volumenstrom-Regelung der Axialkolbenpumpe wird der Hub der Triebwerkkolben 3, wie bereits zuvor ausgeführt, über die bekannte Stelleinheit 20 und über den in der Stellkammer 34 des Steuerventils 30 vorgebbaren Öldruck festgelegt. Je nach Position des Steuerkolbens 31 im Volumenstrom-Steuerventil 30 liegt einer der drei Zustände vor:

a) Es liegt eine Ölverbindung zwischen der Stellkammer 34 des Steuerventils 30 und dem Hochdruckeingang A, d.h. eine Ölverbindung zum Hochdruckausgang der Hydraulikpumpe vor.
b) Die Stellkammer 34 ist mit einem Niederdruckniveaueingang T verbunden, d.h. mit dem Regeldruckeingang.
c) Die Stellkammer 34 ist weder mit dem Hochdruck- noch mit dem Niederdruckeingang A, T verbunden.

Im Anwendungsbeispiel der 2 ist der Niederdruckanschluss des Volumenstrom-Steuerventils 30 nicht direkt mit dem Hydrauliköl-Vorratstank verbunden, sondern über eine Druckabschneidung 51 und eine Load-Sensing Stufe 52. Deshalb kann das dem Volumenstrom-Steuerventil 30 zugeführte Niederdruckniveau höher als das im Hydrauliköl-Vorratstank vorliegende Druckniveau sein, weshalb der Niederdruckanschluss T bei einer solchen Anordnung als Regeldruckanschluss bezeichnet wird. Sollte aufgrund eines Fehlers das Signal des Steuerdrucks der Druckreduzierungseinheit 50 ausbleiben, wird der Steuerkolben 31 des Steuerventils 30 von einer Rückkopplungsfeder 32 auf die im Schaltbild der 2 eingenommene und markierte Schaltposition gedrückt. In diesem Fall kann der Stelldruck über die dem Volumenstrom-Steuerventil hydraulisch vorgeschalteten Ventile 51, 52 vorgegeben werden.
Sofern der Niederdruckeingang des Volumenstrom-Steuerventils 30 eine direkte Ölverbindung zum Hydrauliköl-Vorratstank aufweist, würde im Fall eines solchen Kabelbruchs der Hub der Triebwerkskolben 3 auf ihren Maximalwert gestellt werden.
Der konkrete Aufbau des Volumenstrom-Steuerventils 30 lässt sich der Detailaufnahme gemäß 3 entnehmen. Das Ventil 30 befindet sich in einem patronenförmigen Gehäuse 32, welches in die Anschlussplatte 11 der Axialkolbenpumpe eingeschraubt ist, insbesondere von aussen eingeschraubt werden kann. Die Abbildung der 3 zeigt den Stellkolben 22 in seiner Endanschlagposition bei Vorliegen des maximalen Schwenkwinkels. Der Steuerkolben 31 des Volumenstrom-Steuerventils 30 ist als topfförmiger Hohlkolben 31 ausgeführt. Die Rückkopplungsfeder 33 stützt sich zwischen dem Topfboden und dem Stellkolben 22 ab. Wenn die Rückkopplungsfeder 33 stark kontraktiert ist, befindet sich diese grösstenteils in dem Hohlvolumen des Ventilkolbens 31. Gemäß der Abbildung in 3 verfügt das Volumenstrom-Steuerventil 30 über folgende radial angeordnete Ölanschlüsse: Steuerdruck ST, Regeldruck T, Hochdruck A und Leckage L. In axialer Richtung besteht ein direkter Übergang von der Federkammer 33a in die Stellkammer 34. Der bei entsprechender Axialposition (s. 6) des Ventilkolbens 31 von der Hochdruckseite A kommende Zufluss von Hydrauliköl in die Stellkammer 34 erfolgt über die Federkammer 33a, gleichermassen der Ölabfluss in den Regeldruckanschluss T bei entsprechender Axialposition (s. 5) des Ventilkolbens 31. Die Stelldruckbohrung 35 erstreckt sich in Radialrichtung durch die Mantelfläche des Ventilkolbens 31. Bevorzugt existieren mehrere solcher Stelldruckbohrungen als parallel geschaltete Kanäle. Hierbei erstreckt sich an dem entsprechenden Längenabschnitt des Ventilkolbens 31 an der Aussenfläche seiner Mantelfläche eine Radial-Aussennut 35a. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Radialnut 35a über den gesamten Umfang des Ventilkolbens 31 und weist mehrere derartige durchgängige Bohrungen 35 auf. Die Stelldruckbohrungen 35 sind am Nutgrund platziert Hier durch ergibt sich für den Ölfluss ein höherer Gesamtquerschnitt, was die Dynamik der Schrägwinkel-Verstellung erhöht.
Ferner existiert beim Steuerventil 30 in der Wand seiner Kolbenbohrung in demjenigen Längenabschnitt, der der der besagten Radial-Aussennut 35a des Ventilkolbens 31 im Regelbetrieb des Steuerventils (s.u.) gegenüberliegt, eine Radial-Innen Nut 36, auch als Verbindungsnut 36 bezeichnet.
Die sich durch die Anschlussplatte 11 der Axialkolbenpumpe erstreckende Steuerdruckbohrung und die Leckagebohrung sind in dem gezeigten Schnitt der 3 nicht freigelegt.
Die Rückkopplungsfeder 33 übt eine Kraft auf den Ventilkolben 21 aus, die in Richtung des geschlossenen Gehäuseendes des Volumenstrom-Steuerventils 30 wirkt.
Dabei steigt diese Kraft mit zunehmendem Schrägwinkel der Schrägscheibe 6 einhergehend mit den Positionen des Stellhebels 21 und Stellkolbens 22 an. Der Steuerdruck trifft auf eine Steuerkammer 34, deren Steuerfläche derart ausgerichtet ist, dass der Steuerdruck eine Kraft auf den Steuerkolben 31 ausübt, die der von der Rückkopplungsfeder 32 hervorgerufenen Kraft entgegen wirkt.
Der Topfboden des Steuerkolbens 31 weist eine durchgängige Bohrung 37 auf. Hierdurch gelangt das unter Stelldruck stehende Hydrauliköl an die verbleibende Stirnfläche 38 des Steuerkolbens 31. Auf diese Weise werden die durch den Stelldruck auf den Steuerkolben 31 ausgeübten Kräfte neutralisiert. Zur Ermöglichung einer solchen exakten Neutralisierung und der Montierbarkeit des Volumenstrom-Steuerventils 30 wird der Ring 39 benötigt, der nach dem Einsetzen des Steuerkolbens 31 eingebaut wird. Der eingesetzte Ring 39 kann mit einem Wellensicherungsring 39a fixiert werden. Die Oberflächenbereiche an denen sich der Ring 39 und der Steuerkolben 31 berühren, müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass einerseits eine ausreichende Leckage von dem unter Stelldruck stehenden Öl in die Tankrückführung L vorliegt, damit auch im Fall niedriger Stelldrücke der benötigte Schmierfilm bestehen bleibt. Andererseits soll klarerweise die Leckage nicht unnötig hoch sein.
Der Ring 39 oder der Wellensicherungsring 39a bilden den einen Endanschlag des Steuerkolbens 31. Die andere Endposition des Steuerkolbens 31 ist durch den Sacklochboden des Patronengehäuses 32 definiert. Zur Senkung der Herstellungskosten kann vermieden werden, dass der gesamte Sacklochboden und die gesamte zu diesem ausgerichtete Stirnseite 38 des Steuerkolbens 31 zur Erzielung eines präzisen Anschlags entsprechend präzise gefertigt sein müssen, indem lediglich jeweils hervorstehende sich genau gegenüberliegende Teilbereiche des Sacklochbodens und der Kolben-Stirnseite 38 mit der erhöhten Genauigkeit ausgearbeitet werden, wohingegen ein Grossteil dieser Flächen ohne erhöhte Präzision ausgeführt werden kann.
Der Steuerkolben 31 wird in der Ventilgehäusebohrung über vier Stufen gelagert. Das sind beginnend von dem dem Stellkolben 22 abgewandten Ende in Richtung Stellkolben 22 die:

Stufe 1: Kolbenende bis zu dem Beginn des Ringraums 40, der die Steuerkammer bildet,
Stufe 2: Ende dieses Ringraums 40 bzw. Ende der Steuerfläche bis zu der Regeldruckbohrung T,
Stufe 3: Ende der Hochdruckbohrung A bis zur Vertiefung, die der Leckageabführung L dient und
Stufe 4: Innenwand des Rings 39.

Der Steuerkolben 31 ist als topfförmiger Hohlkolben ausgeführt. Dieses Innenvolumen 33a beherbergt die Rückkopplungsfeder 33 des Steuerventils 30 und bildet ein gemeinsames Volumen mit der Stellkammer 34. Somit wird der Stellkolben 22 an der Stirnseite der Topfwand und dem Topfboden mit dem Stelldruck beaufschlagt. Zwecks Kompensation der hierdurch hervorgerufenen Kraft F₁ ist folgende Vorkehrung getroffen:

Die Aussparung (Sacklochbohrung) im Patronengehäuse 32 des Steuerventils 30 ist tiefer als das zur Unterbringung des Steuerkolbens 31 notwendig ist. Das dadurch vorliegende Innenvolumen, welches aus dem unteren Teilabschnitt der Sacklochbohrung in dem Gehäuse des Steuerventils 30 und der ihm zugewandten Stirnseite 38 des Steuerkolbens 31 gebildet wird, ist durch eine Bohrung 37 mit dem Hohlvolumen 33a des Steuerkolbens 31 verbunden. Auf diese Weise wirkt der Stelldruck auf eine Fläche gleicher Grösse. Das wiederum ruft eine Kraft F₂ hervor. Die beiden Kräfte F₁ und F₂ sind betragsmässig gleich und wirken diametral. Die besagte Bohrung 37 kann wie im Ausführungsbeispiel eine Verengung aufweisen.

Dadurch kann in dieser Ölverbindung bewusst eine definierte Drosselwirkung erzielt werden, um bspw. Druckschwankungen zu unterdrücken.
Der im Ausführungsbeispiel gezeigte Steuerkolben 31 weist an seinem dem Stellkolben 22 abgewandten Ende einen verhältnismässig langen zylindrischen Längenabschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser auf. Durch einen solchen zusätzlichen Mantelflächenabschnitt, der - abgesehen von Spaltringdichtungen - frei von Radialnuten ist, verbessert sich die Kolbenführung in der Kolbenbohrung. Der Endabschnitt der daran angrenzenden Wand der Kolbenbohrung ist ebenfalls rein zylindrisch bei gleichbleibendem Durchmesser, was ebenso die Kolbenführung verbessert.
Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Steuerventil 30, welches hydraulisch angesteuert wird. Dort wo die Steuerdruckbohrung ST auf den Steuerkolben 31 trifft, befindet sich die Steuerkammer 40, denn ausserhalb dieser Radialnut ist der Durchmesser des Steuerkolbens 31 auf der dem Stellhebel 21 zugewandten Seite grösser als der anderen Seite. Daher bewirkt der Öldruck des Steuerdrucks auf den Steuerkolben 31 eine Kraft in Richtung des Stellkolbens 22. Wie klar zu erkennen ist, kann der Steuerkolben 31 bei der Montage nur von einer Seite in das Gehäuse 32 des Steuerventils 30 eingeschoben werden.
Damit das Ventil mit der besagten Steuerkammer 40 ausgestattet werden kann und eine exakte Kompensation der durch den Stelldruck auf den Steuerkolben 31 einwirkenden Kräfte vorliegt und der Steuerkolben 31 bei der Montage in das Ventilgehäuse 32 eingeschoben werden kann, ist folgendes vorgesehen:

An beiden Endabschnitten weist der Steuerkolben Durchmesser von gleicher Grösse auf. An der zum Stellhebel 21 zugewandten Seite weist die Kolbenbohrung des Ventilgehäuses 32 einen grösseren Durchmesser auf. Nachdem der Steuerkolben 31 in das Ventilgehäuse 32 eingeschoben worden ist, wird dieser verbleibende Zwischenraum durch den geometrisch angepassten Ring 39 verschlossen. Der Ring 39 dient als Auflagefläche des Kolbens 31 und trägt zu einer guten Kolbenführung bei. Ausserdem vermeidet der Ring 39, dass der Stelldruck in dem Übergangsbereich des Steuerkolbens 31 zu dem grösseren Durchmesser anliegt. Geringe Ölmengen, die den Spalt zwischen dem Steuerkolben 31 und dem Ring 39 oder den Spalt zwischen der Wand der Kolbenbohrung und dem Ring 39 in Querrichtung passieren, werden über die Leckagebohrung L abgeführt.

Ein wesentliches Merkmal des Steuerventils 30 ist die die Lage der Steuerkanten des Steuerkolbens.

3 gibt hierzu einen guten Überblick. Um die Wirkungsweise und Anordnung der Steuerkanten im Detail aufzuzeigen, dienen die 4 bis 8. Es handelt sich um Detailansichten, welche jeweils den Steuerkolben 31 und das Ventilgehäuse im Nahbereich der Stelldruckbohrung 35 zeigen. Mit der Vielzahl der Abbildungen sind die wesentlichen Axialpositionen des Steuerkolbens 31 aufgezeigt.

4 zeigt die Kolbenstellung bei Vorliegen eines stationären Zustands der Verstelleinrichtung. In diesem Zustand liegt keine Ölverbindung zwischen der Stelldruckkammer 34 und dem Hochdruckeingang A oder dem Regeldruckeingang T vor. Dadurch wird die Axialkolbenpumpe mit einem konstanten Schrägwinkel betrieben.
Durch Reduktion des Steuerdrucks verschiebt sich der Steuerkolben 31 nach links in Richtung des Ventilgehäusebodens, siehe 6. Hierdurch öffnet eine erste Steuerkante 41, die durch den zwischen der Stelldrucknut 35a und der Hochdrucknut 42 liegenden Steg 43 gebildet wird. Wenn diese Steuerkante 41 offen ist, liegt eine Ölverbindung zwischen Hochdruckeingang A und Stellkammer 34 vor.
Über eine zweite Steuerkante 46 kann der Regeldruckeingang T mit der Stellkammer 34 verbunden werden. Dazu muss der Steuerdruck erhöht werden, um den Kolben 31 in Richtung des Stellkolbens 22 zu verlagern. Die Kolbenstellung mit geöffneter Steuerkante 46 ist in 5 dargestellt. Die zweite Steuerkante 46 wird durch den Steg 45 gebildet, der zwischen der Niederdrucknut 44 und der Stelldrucknut 35a liegt.
Eine vierte Steuerkante 47 wird durch die der Steuerkante 41 gegenüberliegende Nutwand der Hochdrucknut 42 gebildet (s. 7). Diese dient zum Schliessen des Hochdruckeingangs im Notbetrieb des Ventils 30, d.h. bei Ausfall des Steuerdruckes, was eine vollständige Verschiebung des Steuerkolbens 31 in die Endposition innerhalb des Ventilgehäuses zur Folge hat. Das Schliessen dieser Steuerkante 47 tritt bereits vor Erreichen der Endstellung des Kolbens 31 auf und ist somit der erste Schritt beim in Kraft treten der Notfunktion (s. 7). Im geschlossenen Zustand ist die Ölverbindung zwischen Hochdruck A und der Stellkammer 34 unterbrochen.
Im zweiten Schritt bei Erreichen der Kolbenendstellung im Notbetrieb (s. 8) öffnet dann eine dritte Steuerkante 48, die durch die der Steuerkante 46 gegenüberliegende Seite des Stegs 45 gebildet wird. Das Öffnen dieser Steuerkante 48 führt zu einer Ölverbindung zwischen Regeldruck T (Niederdruck) und der Stellkammer 34.
Zur Erzielung einer präzisen Regelung und Steuerung sollte vermieden werden, dass eine Steuerkante bereits bei einer sehr kleinen Bewegung des Steuerkolbens 31 von einer (nahezu) kompletten Öffnung in eine (nahezu) komplette Schliessung überführt wird. Stattdessen soll im Übergangsbereich eine vergleichsweise grosse Positionsänderung des Steuerkolbens 31 eine vergleichsweise kleine Änderung des Öffnungsquerschnitts bewirken.
Die erfindungsgemässe Konstruktion ist nicht auf Steuerventile oder Regler begrenzt, die im Gehäuse oder in der Anschlussplatte 11 der Axialkolbenmaschine eingebaut sind, sondern kann auch auf Steuerventile und Regler angewendet werden, die ausserhalb einer Axialkolbenmaschine installiert sind.
Ausserdem ist eine Anwendung der erfindungsgemässen Konstruktion auf solche Steuerventile oder Regler möglich, bei denen eine extern erzeugte Kraft bspw. über einen Proportionalmagneten auf die Stirnseite des Ventilkolbens aufgebracht wird.

Claims

Axialkolbenmaschine umfassend: eine Triebwelle, ein damit drehfest verbundenes Triebwerk mit ein oder mehreren darin aufgenommenen Triebwerkskolben, deren Kolbenhub durch eine Schrägscheibe einstellbar ist, wobei eine mechanische Stelleinheit zur Änderung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe vorgesehen ist, die mittels eines extern ansteuerbaren Steuerventils hydraulisch betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellkammer des Steuerventils zur hydraulischen Druckbeaufschlagung der Stelleinheit über wenigstens eine radiale Stelldruckbohrung im Steuerkolben des Steuerventils je nach Schaltzustand mit einem Hochdruckeingang oder Niederdruckeingang des Steuerventils verbindbar ist, wobei im Regelbetrieb bei aktiver externer Ansteuerung des Steuerventils wahlweise eine Verbindung zwischen Hochdruckeingang und radialer Stelldruckbohrung über eine erste Steuerkante oder eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine zweite Steuerkante herstellbar ist, während in einem Notbetrieb ohne aktiver externer Ansteuerung eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über eine dritte Steuerkante herstellbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben des Steuerventils als Hohlkolben ausgestaltet ist und die radiale Stelldruckbohrung über den Hohlraum dauerhaft mit der Stellkammer verbunden ist.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben eine Stelldrucknut, eine Hochdrucknut und eine Niederdrucknut aufweist, die über dazwischenliegende Stege voneinander getrennt sind, wobei im Regelbetrieb eine Verbindung zwischen Hochdruckeingang und Stelldruckbohrung über die Hochdrucknut, eine Verbindungsnut in der Innenwandung des Ventilgehäuses und die Stelldrucknut herstellbar ist und eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung über die Niederdrucknut, die Verbindungsnut in der Innenwandung des Ventilgehäuses und die Stelldrucknut herstellbar ist, während im Notbetrieb eine Verbindung zwischen Niederdruckeingang und Stelldruckbohrung unmittelbar über die Stelldrucknut erfolgt.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlraums des Steuerkolbens eine Rückkopplungsfeder angeordnet ist, deren Federkraft einer durch das Steuersignal erzeugten Stellkraft auf den Steuerkolben entgegenwirkt, wobei die Federkraft vorzugsweise mit zunehmendem Schrägwinkel der Schrägscheibe zunimmt.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Boden der Sacklochbohrung des Steuerventils zur Aufnahme des Steuerkolbens und der dem Boden zugewandten Stirnfläche des Steuerkolbens ein Volumen vorliegt, das über eine Axialbohrung mit dem Hohlraum des Steuerkolbens verbunden ist, wobei die Axialbohrung vorzugsweise eine Durchmesserverengung aufweisen kann.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil hydraulisch gesteuert ist, wobei eine entsprechende Steuerdruckkammer vorzugsweise durch eine Radialnut am Aussenumfang des Steuerkolbens gebildet ist, und wobei bevorzugt zum Öffnen der ersten Steuerkante ein geringeres Steuerdruckniveau als zum Öffnen der zweiten Steuerkante benötigt wird.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelldruck der Stellkammer an einem Stellkolben der Stelleinheit angreift, wobei die druckbedingte Axialverschiebung des Stellkolbens vorzugsweise über einen Hebel auf die Schrägscheibe übertragen wird.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklochbohrung des Steuerventilgehäuses im Bereich der Schnittstelle zur Stelleinheit einen vergrößerten Bohrungsdurchmesser aufweist und in den zwischen Steuerkolben und Gehäusebohrung liegenden Raum ein Ring eingebracht ist, der insbesondere koaxial auf dem Aussenumfang des Steuerkolbens sitzt, wobei der Ring bevorzugt durch einen Wellensicherungsring fixiert sein kann und besonders bevorzugt der Ring oder Wellensicherungsring einen Endanschlag des Steuerkolbens bilden.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endanschlag des Steuerkolbens durch den Boden der Sacklochbohrung des Steuerventils zur Aufnahme des Steuerkolbens gebildet ist, wobei lediglich jeweils hervorstehende sich genau gegenüberliegende Teilbereiche des Sacklochbodens und der Kolben-Stirnseite mit erhöhter Genauigkeit zur Ausbildung des Endanschlages ausgearbeitet sind.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil in Patronenbauweise ausgeführt ist und die Ventilpatrone von aussen in das Gehäuse der Axialkolbenmaschine eingebracht bzw einschraubbar ist, wobei das Steuerventil besonders bevorzugt in der Anschlussplatte der Axialkolbenmaschine liegt.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb bei geöffneter dritten Steuerkante der maximale Schwenkwinkel der Schrägscheibe mit maximalen Triebwerkskolbenhub vorliegt
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit integriertem oder angebautem Regelventil, insbesondere einer Druckabschneidung und/oder Load-Sensing Stufe, die mit dem Niederdruckeingang des Steuerventils verbunden ist.