DE10209805A1 - Elektronische Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung - Google Patents
Elektronische BohrungsdruckoptimierungseinrichtungInfo
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Abstract
Eine elektronische Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung für die dynamische Veränderung des Druckprofils von Kolbenbohrungen in einem Zylinderblock einer mit mehreren Kolben ausgeführten Hydraulikeinheit weist eine Ventileinrichtung mit einer in der Abschlusskappe angeordneten Verstelldrossel zur Dosierung des Fluidstroms zwischen dem vorangehenden und dem nachfolgenden Kolben in einem Übergangsbereich oder zwischen einem Kolben im Übergangsbereich und einer Hochdruck- oder einer Niederdruckquelle sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Ventileinrichtung zuzuführenden Regelabweichungssignals zur Anpassung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel anhand des Steuersignals auf.
Description
Bei dieser Anmeldung handelt es sich um eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-
Patentanmeldung Nr. 09/776,554, Anmeldedatum: 2. Februar 2001.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Hydraulik und im Besonderen eine
elektronische Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung zur Änderung des Druckprofils
der Kolbenbohrung in Zylinderblöcken. Das Bohrungsdruckprofil hat direkten
Einfluss auf Geräusche, Vibrationen, Wirkungsgrad und Kräftebedarf bei der
Verstellung der Schrägscheibe in einer hydrostatischen Einheit wie in einer Pumpe
oder einem Motor. Die Einrichtung ist im Allgemeinen zur Regelung einer beliebigen
Systemvariablen wie Geräusche, Vibrationen, Volumenstromschwankungen,
Druckschwankungen, Wirkungsgrad und/oder Kräfte- und Energiebedarf zum
Verstellen der Schrägscheibe in Axialkolbenpumpen und -motoren, jedoch nicht
ausschließlich dieser Variablen, geeignet. Sie ist insbesondere für Anwendungen
vorteilhaft, bei denen das "Rückkopplungsgefühl" des Bedieners entscheidend ist,
wobei sie den Bediener in die Lage versetzt, eine Rückkopplung zum Fahrzeug,
jedoch bei reduzierter Kraft, wahrzunehmen. Die Einrichtung ist ferner für
Anwendungen geeignet, bei denen die Systemgeräusche oder der Schallpegel von
Bedeutung sind, da sie eine Verringerung der Lärmemission in einer Umgebung
ermöglicht, in der der Schallpegel begrenzt werden muss. Durch die Einrichtung wird
ein dynamisches oder variables Verfahren der Einstellung oder Abstimmung der
Nettoschrägscheibenmomente, des Schallpegels, der Vibrationen und/oder des
Wirkungsgrads gewährleistet.
Das "Rückkopplungsgefühl" kann an nahezu jede mit den Sinnen wahrnehmbare
Variable, so u. a. an Geräusche, Betätigungskräfte (Leistung) und
Volumenstromschwankungen geknüpft werden. Volumenstromschwankungen sind
bei hydrostatischen Einheiten mit mehreren Kolben eine bekannte und häufig
auftretende Erscheinung. Bei einer hydrostatischen Axialkolbeneinheit beispielsweise
ist der durchschnittliche Gesamtförderstrom einer hydrostatischen Pumpe oder das
durchschnittliche Gesamtschluckvolumen eines hydrostatischen Motors die Summe
der im Verlaufe der Zeit von den einzelnen Kolben erzeugten bzw. geschluckten
Volumenströme bei ihrer hin- und hergehenden Bewegung, während sich der
Zylinderblock im Kreise dreht. Die Kolben sind jedoch auf einem Teilkreis in einem
bestimmten Abstand voneinander angeordnet und somit phasenverschoben, so dass
sich der Volumenstrom im Verlaufe jeder Drehung des Zylinderblocks geringfügig
verändert. Diese Volumenstromveränderungen bzw. Amplitudenabweichungen
gegenüber dem durchschnittlichen Fluidstrom, d. h. dem Förder- oder Schluckvolumen
der hydrostatischen Einheit, ergeben die Volumenstromschwankungen.
Hydrostatische Kraftübertragungen werden nun schon über eine Reihe von Jahren
hinweg bei Frontschaufelladern eingesetzt. Kurz nach Einführung der hydrostatisch
angetriebenen Frontschaufellader wiesen die Maschinen noch relativ kleine
Abmessungen auf, und deshalb konnte der Bediener mit minimalem Kraftaufwand
und bei entsprechend längerer Belastbarkeit die Schrägscheibe über ein Hebelsystem
verstellen. Dabei konnte der Bediener eine als Rückkopplung dienende Kraft
unmittelbar wahrnehmen. Die Energie bzw. Kraft zum Verstellen der Schrägscheibe
wurde allein vom Bediener aufgebracht. In jüngster Zeit wurden mit zunehmenden
Abmessungen der Maschinen so große Leistungen und Kräfte erforderlich, dass der
Bediener beim Betätigen der Maschine über einen größeren Zeitraum hinweg
überfordert würde.
In der Folge wurde die Servosteuerung für Kraftübertragungen entwickelt, um das
Ermüdungsproblem des Bedieners zu überwinden, die Bediener vermissten jedoch bei
der Steuerung der Verdrängung oder Schrägscheibenstellung die Rückkopplung zur
Maschine. Die Servosteuereinrichtungen haben einen zusätzlichen Leistungsbedarf,
sie weisen eine verringerte Empfindlichkeit auf, und dies vor allem in Fällen, in denen
die Empfindlichkeit besonders wichtig ist, wenn beispielsweise die Verdrängung der
Maschine nahezu Null oder gering ist sowie bei der Ausführung von
Feinbewegungen.
Zum Verstellen des Förder- bzw. Schluckvolumens von Axialkolbenpumpen und
-motoren sind verschiedene schwenkbare Schrägscheiben bekannt. Bei einer
Konfiguration ist die Schrägscheibe mit auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten
zylindrischen Lagerzapfen versehen, auf denen sie schwenkbar im Pumpen- oder
Motorgehäuse gelagert ist. Die entsprechenden Kolbenbohrungen oder -räume, die in
einem drehbaren Zylinderblock, der durch eine Druckfeder gegen die schwenkbare
Schrägscheibe gedrückt wird, auf einem Kreis angeordnet sind, nehmen gleitend eine
Anzahl von Kolben auf. An der der Schrägscheibe gegenüber liegenden Seite des
Zylinderblocks liegt ein Steuerspiegel an. Während der Drehbewegung des
Zylinderblocks liegen die an den Kolben schwenkbar befestigten Gleitschuhe an einer
Lauffläche der Schrägscheibe an. Nimmt die Lauffläche der Schrägscheibe einen
rechten Winkel zur Längsachse der Kolben ein, so führen die Kolben in dem
Zylinderblock keine hin- und hergehende Bewegung aus, von der Hydraulikeinheit
wird kein Fluid verdrängt oder geschluckt. Durch die Kolben und die Gleitschuhe
erstreckt sich in der Regel in Längsrichtung eine Schmierbohrung, so dass Öl aus der
Kolbenbohrung oder dem Kolbenraum bis zur Lauffläche der Schrägscheibe für die
Gleitschuhe gelangen kann.
Wird die Schrägscheibe erzwungenermaßen aus der senkrechten Stellung geschwenkt,
so führen die Kolben in den Kolbenbohrungen eine hin- und hergehende Bewegung
aus, während sie auf einem Kreis bewegt und gegen die geneigte Ebene gepresst
werden. Durch diese hin- und hergehende Bewegung herrscht in den Kolbenräumen
in einem Bereich der Schrägscheibe ein hoher Druck, während in den Kolbenräumen
im gegenüberliegenden Bereich der Schrägscheibe ein niedriger Druck herrscht. Jede
Kolbenbohrung bzw. jeder Kolbenraum in dem Zylinderblock hat während der
Drehbewegung des Zylinderblocks ein entsprechendes Druckprofil. Der an einer
Querschnittsfläche des Kolbens wirkende Druck wird in eine Kraft umgeformt, die
ein Moment an der Schrägscheibe entstehen lässt. Zum Schwenken der Schrägscheibe
um einen bestimmten Winkel oder zum Halten dieser in einem bestimmten Winkel
muss ein Moment gleicher Größe, jedoch mit anderem Vorzeichen, an der
Schrägscheibe aufrechterhalten werden. Dies geschieht durch den Bediener manuell
durch Anlegen einer Kraft an einem Hebel oder eines Drehmoments an einem Griff,
die an der Schrägscheibe befestigt sind, oder durch einen herkömmlichen
Servomechanismus. Wird ein Servomechanismus genutzt, so geht das
Rückkopplungsgefühl für den Bediener verloren.
Bei einem üblichen Verfahren der Feineinstellung der Schrägscheibenmomente in
einer hydrostatischen Einheit handelt es sich um ein statisches Verfahren, das auch die
Konstruktion eines speziellen Steuerspiegels mit einer speziellen festen
Schlitzkonfiguration mit dem Ziel einschließt, angestrebte Schrägscheibenmomente
zu erhalten. Ein Steuerspiegel ist ein im Allgemeinen aus vollem Material gefertigter
flacher scheibenförmiger Ring, der gegen eine Drehbewegung; an der Abschlusskappe
der Hydraulikeinheit nahe der Rückseite des umlaufenden Zylinderblocks (also auf
der der Schrägscheibe gegenüberliegenden Seite) gesichert ist. Der herkömmliche
Steuerspiegel hat in der Regel auf gegenüberliegenden Seiten von einer Mittelachse
einen bogenförmigen Saugschlitz und einen bogenförmigen Druckschlitz. Diese
Schlitze sind auf Kreisbögen angeordnet, die im Wesentlichen mit dem Teilkreis der
Kolbenbohrungen in dem Zylinderblock zur Deckung kommen. Somit stimmen im
Allgemeinen der Saug- und der Druckschlitz während der Drehbewegung des
Zylinderblocks am Steuerspiegel mit der Kreisbahn der sich hin- und herbewegenden
Kolben überein. Der Saug- und der Druckschlitz sind in den Bereichen oder Zonen, in
denen die sich hin- und herbewegenden Kolben die Richtung ihrer hin- und
hergehenden Bewegung ändern bzw. aus dem Bereich mit hohem Druck in den
Bereich mit niedrigem Druck und umgekehrt wechseln, in einem bestimmten
Winkelbereich voneinander getrennt. In der Regel entsprechen der obere Totpunkt
und der untere Totpunkt der sich hin- und herbewegenden Kolben diesen
Übergangszonen. Der Abstand zwischen dem Saug- und dem Druckschlitz des
Steuerspiegels ist in bestimmtem Maße von der Anzahl der Kolben in der sich
drehenden Zylinderblockbaugruppe abhängig.
Bei einigen der zur Verfügung stehenden Steuerspiegel sind auf der Eintrittsseite
und/oder auf der Austrittsseite der Schlitze (d. h. in den Übergangszonen) speziell
geformte Einkerbungen wie "Rattenschwänze" oder "Fischschwänze" vorgesehen, um
die Schrägscheibenmomente zu beeinflussen. In dem an Moon u. a., US-Patentschrift
3,585,900, erteilten Patent werden die Grundlagen des Einsatzes von Fischschwänzen
im Steuerspiegel zur Beeinflussung der Schrägscheibenmomente in hydraulischen
Axialkolbeneinheiten dargelegt. In der US-Patentschrift 4,550,645 werden einige
zusätzliche geometrische Formen von Fischschwänzen und Steuerspiegeln
beschrieben.
Leider sind sehr viele verschiedene Formen von Steuerspiegeln erforderlich, um den
Anforderungen der einzelnen Nutzer an die Schrägscheibenmomente nachzukommen.
Dies führt dazu, dass die Zahl der Steuerspiegelkonstruktionen stark zunehmen, die
Herstellung und Lagerhaltung einer angemessenen Auswahl von Steuerspiegeln recht
kostspielig werden kann. Ist eine Änderung der Schrägscheibenmomente gewünscht,
so muss der Nutzer zudem die Einheit auseinandernehmen und den Steuerspiegel
austauschen. Nachdem die Wahl eines bestimmten Steuerspiegels getroffen und der
Steuerspiegel eingebaut wurde, ist die Steuerspiegelkonfiguration schließlich
prinzipiell konstant bzw. statisch. Eine Steuerspiegelkonfiguration kann sich bei
bestimmten Einsatzbedingungen (unter anderem Geschwindigkeit, Druck und
Verdrängung) auf die Schrägscheibenmomente, die Leistung und Steuerbarkeit der
Einheit günstig auswirken, die gleiche Steuerspiegelkonfiguration kann sich jedoch
bei anderen Einsatzbedingungen innerhalb des Bereichs der normalen
Betriebsbedingungen der Einheit ungünstig auswirken. Da die Steuerspiegelgeometrie
nach erfolgter Auswahl eines bestimmten Steuerspiegels unverändert bleibt, müssen
die Nutzer die damit verbundenen Nachteile in Kauf nehmen. Häufig ist eine
gründliche und in Details gehende Optimierungsuntersuchung erforderlich, um für die
jeweilige Aufgabe die beste Steuerspiegelkonstruktion zu ermitteln.
Folglich besteht eher ein Bedarf an dynamischen Einrichtungen und Verfahren zur
Beeinflussung der Schrägscheibenmomente als an statischen. Zudem sind eine
Einrichtung und ein Verfahren zur Beeinflussung von Schrägscheibenmomenten
gefragt, die nicht unbedingt mit Änderungen der Steuerspiegelkonstruktion oder einer
weiteren Erhöhung der Zahl der Steuerspiegelkonstruktionen verbunden sind.
Raupenschlepper sind Großgeräte, bei denen Servosysteme zum Verstellen der
Schrägscheibe eingesetzt werden. Diese Servosysteme körnen recht beträchtliche
Abmessungen annehmen bzw. einen hohen Steuerdruck erforderlich machen, wobei
die Empfindlichkeit der Schrägscheibe abnimmt. Deshalb werden Einrichtungen
angestrebt, die eine Reduzierung des Leistungsbedarfs des Servosystems ermöglichen,
was zu kleineren Servosystemen und/oder niedrigeren Steuerdruckwerten führen
würde.
Der Markt der Mobilhydraulik verlangt zunehmend nach Geräuscharmut, verringerten
Volumenstromschwankungen und einer Erhöhung des Wirkungsgrads. In der
Vergangenheit wurde unter einer größeren Anzahl von Steuerspiegeln mit
unveränderlicher Schlitzkonstruktion gewählt, um den Kraftbedarf zum Verstellen der
Schrägscheibe entsprechend zu dimensionieren. Zur Erreichung des jeweiligen
Kraftbedarfs mussten Kompromisse in Bezug auf Geräusche,
Volumenstromschwankungen und Wirkungsgrad eingegangen werden. Es wird also
eine Einrichtung zur Senkung des Kraftbedarfs benötigt, die gleichzeitig eine
Optimierung der Geräusche, Volumenstromschwankungen und des Wirkungsgrads
ermöglicht.
Deshalb ist es ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine dynamische
Einrichtung und ein dynamisches Verfahren zur Beeinflussung des Druckprofils der
Kolbenbohrungen in dem Zylinderblock einer hydrostatischen Einheit zur Verfügung
zu stellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer stellbaren
Einrichtung zur Beeinflussung der Schrägscheibenmomente innerhalb des gesamten
Normalbetriebsbereichs der Hydraulikeinheit.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur
Verringerung der Nettoschrägscheibenmomente in einer manuell gesteuerten
Hydraulikeinheit mit dem Ziel zur Verfügung zu stellen, die Belastbarkeit des
Bedieners zu erhöhen, ohne dass auf das vom Bediener empfundene
Rückkopplungsgefühl verzichtet werden muss.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung
zur Erzeugung eines Regelabweichungssignals, das einem Verstelldrosselventil zur
Gewährleistung eines Fluidüberströmens zwischen benachbarten Kolben zugeführt
wird, um den Bohrungsdruck und folglich die Schrägscheibenmomente zu
beeinflussen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung
zur Veränderung der Schrägscheibenmomente, ohne dass dafür die Steuerspiegel in
einer Hydraulikeinheit ausgetauscht werden müssen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens
zur Optimierung der Kolbenbohrungsdrücke, bei dem der Bediener das Gefühl der
Rückkopplung zur Maschine hat, jedoch die vom Bediener aufzubringende Leistung
verringert wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens
zur Reduzierung des Leistungsbedarfs, das auch bei Einheiten mit Servosteuerung
anwendbar ist, so dass der Einsatz kleinerer Servosysteme und/oder die Anwendung
kleinerer Steuerdrücke möglich wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung
zur Verringerung des Kraftbedarfs bei gleichzeitiger Optimierung der Geräusche,
Volumenstromschwankungen und des Wirkungsgrads.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung
zur Steuerung einer Systemvariablen wie Druckschwankungen,
Volumenstromschwankungen, Geräusche, Vibrationen, Wirkungsgrad und/oder
Kraftbedarf für die Steuerung bzw. anderer Variablen. Als ein Beispiel hierfür sei eine
Einrichtung zur Reduzierung des Schallpegels einer Hydraulikeinheit unter
sämtlichen Betriebsbedingungen ungeachtet der jeweiligen Momente genannt.
Diese und weitere Ziele sind aus den Zeichnungen sowie aus der Beschreibung und
den dazugehörigen Patentansprüchen erkennbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische
Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung für die dynamische Veränderung von
Schrägscheibenmomenten in einer mit mehreren Kolben ausgeführten
Hydraulikeinheit. Zur Einrichtung gehören eine Verstelldrossel, die mit einem
Überströmkanal in der Abschlusskappe oder einem zentralen Bereich der
Hydraulikeinheit verbunden ist. Der Fluidkanal gelangt während der Bewegung der
Kolbenbohrungen auf dem Teilkreis und über den Übergangsbereich bei der
Drehbewegung des Zylinderblocks in Kommunikation mit den nierenförmigen
Öffnungen der einzelnen Kolbenbohrungen in dem Zylinderblock. Die Verstelldrossel
ist wirksam zwischen einem ersten Kolben oder einer ersten Druckquelle und einem
benachbarten den Übergang vollziehenden pumpenden oder im Motorbetrieb
arbeitenden Kolben angeordnet. Zur elektronischen Steuerung der Verstelldrossel und
somit zur Dosierung des Fluidstroms zu und von den den Übergang vollziehenden
Kolben werden von der Einrichtung ein oder mehrere gemessene Parameter aus einer
Gruppe von Parametern wie Geräusch, Druck, Geschwindigkeit,
Schrägscheibenstellung, Schrägscheibenverstellkraftbedarf, Vibrationen u. a. sowie die
Eingaben des Bedieners genutzt. Die Einrichtung kann mit der Niederdruckseite des
Hydraulikkreises oder der Hochdruckseite des geschlossenen Hydraulikkreises
verbunden sein. Als Wahlmöglichkeit kann ein Steuerspiegel zwischen
Abschlusskappe und Zylinderblock eingesetzt und dieser mit einem den
Volumenstrom nicht reduzierenden Fluidkanal versehen sein, der die nierenförmige
Öffnung in dem Zylinderblock und den Überströmkanal in der Abschlusskappe
verbindet.
Die Erfindung ist für manuell und durch ein Servosystem gesteuerte Einheiten
gleichermaßen gut geeignet.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht entlang 1-1 der Teilkreis- oder Lauffläche der Unterseite des
erfindungsgemäßen Zylinderblocks gemäß Fig. 2,
Fig. 2 einen Schnitt entlang 2-2 gemäß Fig. 1, der den Zylinderblock, den Kolben,
die Abschlusskappe und die Verstelldrossel der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 3 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Abschlusskappe entlang dem Teilkreis
und durch den Fluidkanal,
Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan mit den erfindungsgemäßen elektrischen und
hydraulischen Elementen,
Fig. 5 eine Teildraufsicht der erfindungsgemäßen Abschlusskappe,
Fig. 6 eine Ansicht von unten ähnlich Fig. 1, jedoch mit der Unterseite des
Steuerspiegels und des Zylinderblocks einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 2, jedoch mit dem wahlweise einbaubaren
Steuerspiegel zwischen der Abschlusskappe und dem Zylinderblock gemäß der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße elektronische Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung 10
eignet sich gut für herkömmliche hydrostatische Axialkolbeneinheiten wie Pumpen
oder Motoren. Bei einer in den Fig. 1 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsform
weist die hydrostatische Axialkolbeneinheit eine drehbare Zylinderblockbaugruppe 12
auf. Zur Zylinderblockbaugruppe 12 gehören ein länglicher, im Wesentlichen
zylinderförmiger Zylinderblock 14 mit mehreren in axialer Richtung darin
ausgeführten Kolbenbohrungen 16 zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von in
axialer Richtung hin- und hergehenden Kolben 18. Die Kolbenbohrungen 16
erstrecken sich durch den gesamten Zylinderblock 14, sind jedoch vorzugsweise als
Blindbohrungen ausgebildet, die sich entsprechend der Zeichnung mit gebogenen
nierenförmigen Öffnungen 20 des Zylinderblocks schneiden.
Während der Drehbewegung der Zylinderblockbaugruppe 12 bewegen sich die
Kolben 18 auf einer kreisförmigen Bahn, die als Teilkreis 22 bekannt ist, und
gleichzeitig in den für sie bestimmten Kolbenbohrungen 16 hin und her. In der
Stellung 24 an einem oberen Totpunkt sind die Kolben 18 am weitesten ausgefahren,
in der Stellung 26 an einem unteren Totpunkt hingegen am weitesten eingefahren. Die
Kolben 18 sind vorzugsweise länglich ausgebildet und weisen entsprechend Fig. 2
eine Oberseite 28 und eine Unterseite 30 auf. Bei der herkömmlichen Ausführung
erstreckt sich durch den Kolben in axialer Richtung ein Schmierkanal 32. Über den
Kanal 32 kann eine kleine Menge Öl aus den Kolbenbohrungen 16 überströmen und
die Kolben 18 und/oder die Gleitschuhe (nicht dargestellt) schmieren, während sie
sich im Kreis bewegen und gegen eine ebene Oberseite einer Schrägscheibe oder
einer Verdrängungsvolumenregeleinrichtung (nicht dargestellt) in der hydrostatischen
Einheit drücken.
Wie allgemein auf dem Gebiet der Hydrostatik bekannt, kann bei einer
hydrostatischen Einheit mit konstantem Verdrängungsvolumen die Schrägscheibe auf
einen bestimmten Winkel eingestellt werden oder bei einer hydrostatischen Einheit
mit veränderlichem Verdrängungsvolumen schwenkbar gelagert und über einen
bestimmten Winkelbereich verstellbar sein. Durch den Winkel der geneigten Ebene
wird vorgegeben, wie weit sich die Kolben 18 hin- und herbewegen, und damit auch,
wie groß das Fluidförder- bzw. -schluckvolumen der Pumpe bzw. des Motors ist.
Während der hin- und hergehenden Bewegung legt jeder Kolben 18 einer Pumpe oder
eines Motors einen Fluiddruckraum 34 in dem Zylinderblock 14 fest. Das Volumen
des Raums 34 verändert sich während der Kolbenbewegung auf dem Teilkreis
zyklisch. Von benachbarten Kolben 18 geht während ihrer Bewegung auf dem
Teilkreis 22 ein Kolben dem nachfolgenden voran bzw. folgt einem benachbarten
Kolben. Dreht sich beispielsweise der Zylinderblock 14 entsprechend Fig. 1 in
Richtung des Pfeils 36, so geht der Kolben in der Stellung 24 im oberen Totpunkt
dem rechts von ihm folgenden voran und folgt dem links von ihm befindlichen.
Die Seite des Zylinderblocks 14 gegenüber der Seite, auf der sich die Kolben
erstrecken, wird im Allgemeinen als Lauf oder Dichtfläche 38 bezeichnet. Die
Dichtfläche 38 des Zylinderblocks 14 liegt abdichtend an einer
Zylinderblockmontagefläche 40 der Abschlusskappe 42 an. Wie im Stand der Technik
allgemein bekannt, erstrecken sich zwei voneinander getrennte Arbeitsdruckkanäle
44A und 44B durch die Abschlusskappe 42. Die Arbeitsdruckkanäle 44A, 44B
münden jeweils in den entsprechenden ersten bzw. zweiten Schlitz 46A, 46B an der
Zylinderblockmontagefläche 40. Obgleich verschiedene Formen möglich sind, ohne
dass es dabei zu einer Abweichung von der Erfindung kommt, sind die Schlitze 46A,
46B vorzugsweise bogenförmig ausgebildet. Die Schlitze 46A, 46B weisen einander
gegenüber liegende Enden auf, die durch Zwischenwände 47, 48 voneinander getrennt
sind. Der vorstehend beschriebene Grundaufbau der hydraulischen Axialkolbeneinheit
ist der herkömmliche.
Erfindungsgemäß weist jedoch eine oder weisen mehrere Wände 47, 48 zwischen den
Schlitzen 46A, 46B in der Abschlusskappe 42 einen Überströmkanal 50 auf. Dieser
Überströmkanal 50 beginnt an der Zylinderblockmontagefläche 40, ist vom Inneren
der Abschlusskappe 42 umgeben bzw. durchzieht diese und schneidet einen der
Arbeitsdruckkanäle 44A, 44B in einer bestimmten Entfernung von deren Schlitzen
46A, 46B. Während der Überströmkanal 50 über das Fluid mit einem der Kolben 18
verbunden ist, sind die Schlitze 46A, 46B über das Fluid mit den benachbarten
Kolben verbunden. Folglich verbindet der Überströmkanal 50 einen vorangehenden
Kolben mit einem ihm nachfolgenden. Der Überströmkanal 50 hat vorzugsweise
einen runden Querschnitt, weil ein solcher Querschnitt einfach durch Bohren aus dem
Vollen, Aufbohren oder Gießen mit einem zylindrischen Kernstift im herkömmlichen
Gießprozess herzustellen ist. Es sind jedoch auch andere Querschnitte möglich.
In den Fig. 1 bis 5 ist ein Überströmkanal 50 gezeigt, der sich durch beide Wände
47, 48 der Abschlusskappe und in beide Arbeitsdruckkanäle 44A, 44B erstreckt.
Dadurch werden symmetrische Betriebskennwerte oder zumindest die Möglichkeit
der Regelung der Betriebskennwerte in beiden Druckübergangsbereichen
gewährleistet. Es könnte jedoch auch nur ein einzelner Überströmkanal zur
Beeinflussung des Druckübergangs in nur einem der Bereiche genutzt werden. Der
Überströmkanal könnte aber auch - im Vergleich zu dem gezeigten - von der
gegenüberliegenden Seite des oberen oder unteren Totpunktes aus in den
gegenüberliegenden Arbeitsdruckkanal geführt sein.
Eine Verstelldrosselventileinrichtung 52 wirkt zusammen mit dem Überströmkanal 50
der Abschlusskappe 42. Bei einer Ausführungsform kann die
Verstelldrosselventileinrichtung 52 schematisch als ein Zwei-Wege-Magnetventil 54
mit einer ersten Schaltstellung, in der der Strom durch den Überströmkanal 50
vollständig versperrt ist, und einer zweiten Schaltstellung dargestellt werden, in der
der Fluidstrom durch den Überströmkanal 50 veränderlich dosiert, d. h. geregelt wird,
siehe Fig. 4. Der Fluidstrom durch die Verstelldrosselventileinrichtung 52 verhält
sich vorzugsweise direkt proportional zu dem am Magnet 56 angelegten Signal.
Der Magnet 56 empfängt ein Signal von einem Messfühler 58, der mit der
hydrostatischen Einheit verbunden ist. Als Messfühler 58 kann ein sich proportional
verhaltender oder ein sich nicht proportional verhaltender Messfühler eingesetzt
werden. Der Messfühler 58 kann zum einen ein Mikrofon zur Aufnahme der von der
Einheit ausgehenden Geräusche sein, er kann zum anderen für die Aufnahme anderer
Systemvariablen der Einheit wie Vibrationen, Kraftbedarf oder volumetrischer
Wirkungsgrad ausgelegt sein. Der Messfühler 58 kann ebenso zur Aufnahme von
Betriebsbedingungsvariablen der Einheit wie Druck, Geschwindigkeit oder
Schrägscheibenwinkel dienen. Das vom Messfühler 58 erzeugte Signal kann direkt an
den Magneten der Verstelldrosselventileinrichtung übertragen werden, andererseits
kann zwischen Messfühler 58 und Magnet 56 wahlweise ein Mikroregler oder
Mikroprozessor 60 geschaltet werden, der die gegebenenfalls erforderliche
Verstärkung, Umwandlung oder Formung des Signals vor Erreichen des Magneten
vornimmt.
Der Überströmkanal 50 und die Verstelldrosselventileinrichtung 52 wirken daher so
zusammen, dass der Volumenstrom zu dem vorangehenden von dem nachfolgenden
Kolben 18 bzw. umgekehrt dosiert wird, während sie die Druckübergangsbereiche
zwischen den Schlitzen 46A, 46B passieren. Dies erlaubt eine Optimierung der
Fluidmenge in die bzw. aus den pumpenden und/oder im Motorbetrieb fördernden
Kolbenbohrungen in einer Axialkolbenpumpe oder in einem Axialkolbenmotor. Die
Optimierung der Menge ist von den Betriebsbedingungen und von einem Sollwert,
der die Grundgröße für die Regelung darstellt, beispielsweise von Geräuschen,
Vibrationen, dem Kraftbedarf, dem Druck, der Geschwindigkeit, dem
Schrägscheibenwinkel und/oder vom Wirkungsgrad der Einheit, abhängig.
Vorstehend wurde die erfindungsgemäße elektronische
Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung 10 in ihrer einfachsten Form beschrieben.
Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn die Anforderungen hinsichtlich
der maximalen Verdrängung und des maximalen Arbeitsdrucks der hydrostatischen
Einheit relativ niedrig sind.
In den Fig. 6 und 7 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die
besonders dann geeignet ist, wenn die Verdrängungsvolumen- und
Arbeitsdruckanforderungen der hydrostatischen Einheit relativ hoch sind. Hierin ist
zwischen die Dichtfläche 38 des Zylinderblocks 14 und die
Zylinderblockmontagefläche 40 der Abschlusskappe 42 herausnehmbar ein
Steuerspiegel 70 eingesetzt. Bei diesem Steuerspiegel 70 handelt es sich vorzugsweise
um eine im Wesentlichen ebene ringförmige Platte mit einer ersten Fläche 72, die in
Richtung Dichtfläche 38 des Zylinderblocks zeigt, und einer zweiten Fläche 74, die in
Richtung Zylinderblockmontagefläche 40 der Abschlusskappe 42 zeigt. Der
Steuerspiegel 70 hat mehrere (vorzugsweise zwei) voneinander getrennte Schlitze
76A, 76B, die sich in axialer Richtung erstrecken. Die in Fig. 1A gezeigten Schlitze
76A, 76B werden im Allgemeinen als Saug- und Druckschlitze bezeichnet. Die Saug-
und Druckschlitze 76A, 76B sind bogenförmig ausgebildet und sind auf Kreisbögen
angeordnet, die für gewöhnlich mit dem Teilkreis 22 der Kolbenbohrungen 16 in dem
Zylinderblock 14 übereinstimmen. Somit stimmen auch die Saug- und Druckschlitze
76A, 76B generell mit den Schlitzen 46A, 46B und der Kreisbahn der sich hin- und
herbewegenden Kolben 18 bei ihrer gleichzeitigen Umlaufbewegung mit dem
Zylinderblock 14 überein. Der Zylinderblock 14 führt eine Drehbewegung aus, wobei
sie an der Fläche 72 des Steuerspiegels 70 anliegt. Der Steuerspiegel 70 ist
herausnehmbar eingesetzt oder vorzugsweise an der Abschlusskappe 42 in
herkömmlicher Weise mit Hilfe von Stiften befestigt, so dass er mit der
Abschlusskappe 42 fest verbunden bleibt, während der Zylinderblock 14 an der
Abschlusskappe anliegend die Drehbewegung ausführt. Der Saug- und der
Druckschlitz 76A, 76B sind in den Übergangsbereichen oder -zonen, in denen die hin-
und hergehenden Kolben 18 die Richtung ihrer hin- und hergehenden Bewegung
ändern oder den Übergang von hohem Druck auf niedrigen Druck oder umgekehrt
vollziehen, um einen bestimmten Winkel voneinander getrennt.
Zwischen den benachbarten Schlitzen 76A, 76B des Steuerspiegels 70 befinden sich
Zwischenwände 77, 78. Durch mindestens eine der Wände 77, 78 zwischen dem
Saug- und dem Druckschlitz des Steuerspiegels erstreckt sich in axialer Richtung ein
Fluidkanal 80. Wie der Überströmkanal 50 in der Abschlusskappe 42 hat der durch
den Steuerspiegel 70 geführte Fluidkanal 80 aus Gründen der einfachen Herstellung
einen runden Querschnitt, andere Formen erfüllen ihre Aufgabe jedoch auch
zufriedenstellend. Der Fluidkanal 80 stellt eine Verbindung mit dem Überströmkanal
50, der nierenförmigen Öffnung 20 des Zylinderblocks und der Bahn der
Kolbenbohrung 16 des Zylinderblocks 14 über das Fluid her und wird vorzugsweise
mit ihnen zur Deckung gebracht. Die effektive Größe des Fluidkanals 80 sollte
ausreichend dimensioniert sein, so dass der Fluidstrom in den Überströmkanal 50
nicht reduziert wird. Zur symmetrischen Beeinflussung der Betriebskenndaten sollte
entsprechend Fig. 6 vorzugsweise ein zweiter Fluidkanal in der Nähe des unteren
Totpunkts durch den Steuerspiegel ausgebildet sein.
Wie bereits in unserer Parallelanmeldung 09/776,554 ausgeführt wurde, deren
vollständige Beschreibung durch Bezugnahme hierin integriert wird, ändert das in den
Übergangsbereichen in die Fluiddruckräume 34 der Kolben 18 einströmende oder aus
diesen herausströmende Fluid das Druckprofil in der Kolbenbohrung des
Zylinderblocks. Eine Folge davon ist eine Änderung der Kraft und Energie, die zur
Positionierung der Schrägscheibe erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung stellt ein
Verfahren zum Einstellen der Schrägscheibenmomente in einer hydrostatischen
Einheit mit mehreren Kolben zur Verfügung. Die Schritte dieses Verfahrens
umfassen: 1) den Einbau eines Überströmkanals 50 und einer Verstelldrossel in einer
Abschlusskappe 42 der Einheit, so dass zum Ausgleich zwischen einem
vorangehenden und einem nachfolgenden Kolben oder ebenfalls zum Ausgleich
zwischen einem im Übergangsbereich befindlichen Kolben und einer Nieder- bzw.
einer Hochdruckquelle über das Fluid eine Verbindung hergestellt wird, und 2) die
Verstellung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel mit Hilfe eines Signals, das
von einer gemessenen Systemvariablen abhängig ist. Bei der gemessenen
Systemvariablen kann es sich um eine oder mehrere Variablen handeln, die aus einer
Gruppe von Systemvariablen oder Betriebsbedingungsvariablen wie Geräusche,
Vibrationen, Kraftbedarf sowie Wirkungsgrad, Druck, Geschwindigkeit und
Schrägscheibenwinkel der hydrostatischen Einheit ausgewählt werden.
Daraus wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung zumindest die gesteckten
Ziele erreicht.
Anhand der Zeichnungen und der Beschreibung sind die bevorzugten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert worden, und die dabei
benutzten Fachbegriffe sind nur in einem verallgemeinernden Sinne zu verstehen, die
zum Zweck der Beschreibung, nicht aber zu Zwecken der Eingrenzung dienen. Es
sind Änderungen in der Form und in der Proportion von Teilen sowie bei einem
Austausch gegen Äquivalente, wenn diese als zweckdienlich erachtet werden oder
durch die Umstände bedingt sind, durchaus denkbar, ohne dass vom Grundgedanken
und Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Patentansprüchen noch
eingehender definiert werden, abgewichen wird.
Claims (11)
1. Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung für eine hydrostatische Einheit, die eine
drehbare Zylinderblockbaugruppe mit einem Zylinderblock und einer daran
befindlichen Dichtfläche einschließt, die über das Fluid mit mehreren
durckbeaufschlagbaren Kolbenbohrungen verbunden ist, wobei zu der Einrichtung
gehören:
eine Abschlusskappe mit einem ersten und zweiten Arbeitsdruckkanal, die durch sie verlaufen und jeweils in einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Schlitz an einer auf die Dichtfläche des Zylinderblocks gerichteten Zylinderblockmontagefläche münden, wobei die Schlitze gegenüberliegende Seiten aufweisen, welche durch mindestens ein Paar Wände voneinander getrennt oder in einem Abstand voneinander angeordnet sind;
mindestens eine Wand des mindestens einen Paares von Wänden, welche einen darin ausgebildeten Überströmkanal aufweist und umgibt, wobei sich der Überströmkanal von der Zylinderblockmontagefläche zu dem ersten oder dem zweiten Arbeitsdruckkanal erstreckt;
eine Verstelldrosselventileinrichtung mit einer in dem Überströmkanal der Abschlusskappe angeordneten Verstelldrossel zur Dosierung des Fluidstroms aus einer der Kolbenbohrungen in den ersten oder den zweiten Arbeitsdruckkanal in der Abschlusskappe; und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Ventileinrichtung zuzuführenden Steuersignals zur Anpassung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel auf Basis des Steuersignals.
eine Abschlusskappe mit einem ersten und zweiten Arbeitsdruckkanal, die durch sie verlaufen und jeweils in einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Schlitz an einer auf die Dichtfläche des Zylinderblocks gerichteten Zylinderblockmontagefläche münden, wobei die Schlitze gegenüberliegende Seiten aufweisen, welche durch mindestens ein Paar Wände voneinander getrennt oder in einem Abstand voneinander angeordnet sind;
mindestens eine Wand des mindestens einen Paares von Wänden, welche einen darin ausgebildeten Überströmkanal aufweist und umgibt, wobei sich der Überströmkanal von der Zylinderblockmontagefläche zu dem ersten oder dem zweiten Arbeitsdruckkanal erstreckt;
eine Verstelldrosselventileinrichtung mit einer in dem Überströmkanal der Abschlusskappe angeordneten Verstelldrossel zur Dosierung des Fluidstroms aus einer der Kolbenbohrungen in den ersten oder den zweiten Arbeitsdruckkanal in der Abschlusskappe; und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Ventileinrichtung zuzuführenden Steuersignals zur Anpassung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel auf Basis des Steuersignals.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ventileinrichtung ein elektronisch
betätigtes Magnetventil ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines
Steuersignals einen Messfühler aufweist, der ein dem Magnetventil zuzuführendes
Signal erzeugt, das an die Ventileinrichtung weitergeleitet wird und auf einer
gemessenen Systemvariablen der hydrostatischen Einheit basiert.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines
Steuersignals des Weiteren einen Mikroregler aufweist, der mit der Ventileinrichtung
und dem Messfühler verbunden ist, um das Signal von einem Messfühler zu
verarbeiten und das dem Magnetventil zuzuführende Steuersignal zu erzeugen, so
dass das Steuersignal proportional zu der gemessenen Variablen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der der Messfühler zum Messen einer aus der
Gruppe Geräusche, Vibrationen, Kraftbedarf, Wirkungsgrad, Druck, Geschwindigkeit
und Schrägscheibenwinkel der hydrostatischen Einheit ausgewählten System- oder
Betriebsbedingungsvariablen ausgelegt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der eine andere Wand des mindestens einen
Paares von Wänden einen zweiten Überströmkanal hat und diesen umgibt, wobei sich
der zweite Überströmkanal zu dem jeweils anderen Arbeitsdruckkanal des ersten und
des zweiten Arbeitsdruckkanals erstreckt, und eine zweite
Verstelldrosselventileinrichtung eine zweite Verstelldrossel, die im zweiten
Überströmkanal angeordnet ist, und eine Einrichtung zur Erzeugung eines der zweiten
Ventileinrichtung zuzuführenden Steuersignals derart vorgesehen ist, dass der
Drosselquerschnitt der zweiten Verstelldrossel dem Steuersignal angepasst wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, aufweisend:
ein an der Zylinderblockmontagefläche der Abschlusskappe eingesetzter und gegen ein Verdrehen daran gesicherter Steuerspiegel, wobei der Steuerspiegel gleitend an der Dichtfläche des Zylinderblocks anliegt,
der Steuerspiegel mit einem darin ausgebildeten ersten Arbeitsdruckschlitz, der mit dem ersten Arbeitsdruckkanal über das Fluid verbunden ist, und mit einem darin ausgebildeten zweiten Arbeitsdruckschlitz, der mit dem zweiten Arbeitsdruckkanal über das Fluid verbunden ist und von dem ersten kreisbogenförmigen Arbeitsdruckschlitz getrennt ist, so dass zwischen diesen zwei voneinander beabstandete Übergangsbereiche entstehen, und einem Fluidkanal, der sich in einem der Übergangsbereiche in axialer Richtung durch den Steuerspiegel erstreckt, wobei der Fluidkanal über das Fluid mit dem Überströmkanal verbunden ist.
ein an der Zylinderblockmontagefläche der Abschlusskappe eingesetzter und gegen ein Verdrehen daran gesicherter Steuerspiegel, wobei der Steuerspiegel gleitend an der Dichtfläche des Zylinderblocks anliegt,
der Steuerspiegel mit einem darin ausgebildeten ersten Arbeitsdruckschlitz, der mit dem ersten Arbeitsdruckkanal über das Fluid verbunden ist, und mit einem darin ausgebildeten zweiten Arbeitsdruckschlitz, der mit dem zweiten Arbeitsdruckkanal über das Fluid verbunden ist und von dem ersten kreisbogenförmigen Arbeitsdruckschlitz getrennt ist, so dass zwischen diesen zwei voneinander beabstandete Übergangsbereiche entstehen, und einem Fluidkanal, der sich in einem der Übergangsbereiche in axialer Richtung durch den Steuerspiegel erstreckt, wobei der Fluidkanal über das Fluid mit dem Überströmkanal verbunden ist.
8. Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung für eine hydrostatische Einrichtung, die
eine drehbare Zylinderblockbaugruppe mit einem Zylinderblock und einer daran
befindlichen Dichtfläche aufweist, die über das Fluid mit mehreren
druckbeaufschlagbaren Kolbenbohrungen verbunden ist, wobei die Einrichtung
aufweist:
eine Abschlusskappe mit einem ersten und zweiten Arbeitsdruckkanal, die durch sie verlaufen und jeweils in einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Schlitz an einer auf die Dichtfläche des Zylinderblocks ausgerichteten Zylinderblockmontagefläche münden, wobei die Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten durch Zwischenwände voneinander getrennte oder in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete Enden aufweisen;
eine der Wände, welche einen darin ausgebildeten Überströmkanal aufweist und umgibt, wobei sich der Überströmkanal von der Zylinderblockmontagefläche zu dem ersten oder dem zweiten Arbeitsdruckkanal erstreckt;
eine Verstelldrosselventileinrichtung mit einer in dem Überströmkanal der Abschlusskappe angeordneten Verstelldrossel zur Dosierung des Fluidstroms aus einer der Kolbenbohrungen in den ersten oder den zweiten Arbeitsdruckkanal in der Abschlusskappe; und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Ventileinrichtung zuzuführenden Steuersignals zur Anpassung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel auf Basis des Steuersignals.
eine Abschlusskappe mit einem ersten und zweiten Arbeitsdruckkanal, die durch sie verlaufen und jeweils in einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Schlitz an einer auf die Dichtfläche des Zylinderblocks ausgerichteten Zylinderblockmontagefläche münden, wobei die Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten durch Zwischenwände voneinander getrennte oder in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete Enden aufweisen;
eine der Wände, welche einen darin ausgebildeten Überströmkanal aufweist und umgibt, wobei sich der Überströmkanal von der Zylinderblockmontagefläche zu dem ersten oder dem zweiten Arbeitsdruckkanal erstreckt;
eine Verstelldrosselventileinrichtung mit einer in dem Überströmkanal der Abschlusskappe angeordneten Verstelldrossel zur Dosierung des Fluidstroms aus einer der Kolbenbohrungen in den ersten oder den zweiten Arbeitsdruckkanal in der Abschlusskappe; und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines der Ventileinrichtung zuzuführenden Steuersignals zur Anpassung des Drosselquerschnitts der Verstelldrossel auf Basis des Steuersignals.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der der Überströmkanal die
Zylinderblockmontagefläche mit dem ersten Arbeitsdruckkanal verbindet.
10. Verfahren zur Anpassung der Schrägscheibenmomente in einer mit mehreren
Kolben ausgeführten hydrostatischen Einheit, das die folgenden Schritte aufweist:
Einbau einer Verstelldrossel in einer Abschlusskappe der Einheit, so dass sie zur Anpassung einen vorangehenden Kolben und einen nachfolgenden Kolben über das Fluid verbindet,
Anpassen des Drosselquerschnitts der den vorangehenden und den nachfolgenden Kolben verbindenden Verstelldrossel anhand eines auf einer gemessenen Systemvariablen basierenden Steuersignals.
Einbau einer Verstelldrossel in einer Abschlusskappe der Einheit, so dass sie zur Anpassung einen vorangehenden Kolben und einen nachfolgenden Kolben über das Fluid verbindet,
Anpassen des Drosselquerschnitts der den vorangehenden und den nachfolgenden Kolben verbindenden Verstelldrossel anhand eines auf einer gemessenen Systemvariablen basierenden Steuersignals.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die gemessene Systemvariable aus der
Gruppe Geräusche, Vibrationen, Kraftbedarf und Wirkungsgrad der hydrostatischen
Einheit ausgewählt wird.
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