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Querverweis
auf korrespondierende Anmeldungen
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Bei
dieser Anmeldung handelt es sich um eine Teilfortsetzungsanmeldung
der US-Patentanmeldung
Nr. 09/776,554, Anmeldedatum: 2. Februar 2001.
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Ausgangssituation
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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DE 199 14 266 A1 zeigt
eine Axialkolbenmaschine mit einer Triebwelle, an der ein Triebwellenflansch
vorgesehen ist, an welchem sich Kolben abstützen, die in Zylinderausnehmungen
einer Zylindertrommel verschiebbar sind. Die Zylindertrommel wird von
einem Steuerkörper
an einer Stützlagerfläche gelagert
und weist einen an einer ersten Steueröffnung mündenden ersten Druckkanal und
einen an einer zweiten Steueröffnung
mündenden
zweiten Druckkanal auf. Über
die Druckkanäle
sind die Zylinderausnehmungen zyklisch alternierend mit einer Niederdruckleitung
und einer Hochdruckleitung verbindbar. Hierbei ist einer der Druckkanäle mit einem an
einer der Stützlagerfläche gegenüberliegenden Innenfläche des
Steuerkörpers
ausmündenden
Entlastungskanal und/oder Schmierkanals verbunden. Hierdurch wird
vermieden, dass Bereiche mit fehlender Schmierung für den Steuerkörper auftreten.
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Raupenschlepper
sind Großgeräte, bei
denen Servosysteme zum Verstellen der Schrägscheibe eingesetzt werden.
Diese Servosysteme können 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.
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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.
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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.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer stellbaren Einrichtung zur Beeinflussung der Schrägscheibenmomente
innerhalb des gesamten Normalbetriebsbereichs der Hydraulikeinheit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Einrichtung zur Verringerung des Kraftbedarfs bei gleichzeitiger
Optimierung der Geräusche,
Volumenstromschwankungen und des Wirkungsgrads.
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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.
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Diese
und weitere Ziele sind aus den Zeichnungen sowie aus der Beschreibung
und den dazugehörigen
Patentansprüchen
erkennbar.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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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.
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Die
Erfindung ist für
manuell und durch ein Servosystem gesteuerte Einheiten gleichermaßen gut
geeignet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ansicht entlang 1-1 der Teilkreis- oder Lauffläche der Unterseite des erfindungsgemäßen Zylinderblocks
gemäß 2,
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2 einen
Schnitt entlang 2-2 gemäß 1,
der den Zylinderblock, den Kolben, die Abschlusskappe und die Verstelldrossel
der vorliegenden Erfindung darstellt,
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3 einen
Schnitt der erfindungsgemäßen Abschlusskappe
entlang dem Teilkreis und durch den Fluidkanal,
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4 einen
vereinfachten Schaltplan mit den erfindungsgemäßen elektrischen und hydraulischen
Elementen,
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5 eine
Teildraufsicht der erfindungsgemäßen Abschlusskappe,
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6 eine
Ansicht von unten ähnlich 1, jedoch
mit der Unterseite des Steuerspiegels und des Zylinderblocks einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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7 einen
Schnitt ähnlich 2,
jedoch mit dem wahlweise einbaubaren Steuerspiegel zwischen der
Abschlusskappe und dem Zylinderblock gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform(en)
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Die
erfindungsgemäße elektronische Bohrungsdruckoptimierungseinrichtung 10 eignet sich
gut für
herkömmliche
hydrostatische Axialkolbeneinheiten wie Pumpen oder Motoren. Bei
einer in den 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.
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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 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.
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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 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.
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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.
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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.
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In
den 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.
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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 4. Der Fluidstrom
durch die Verstelldrosselventileinrichtung 52 verhält sich
vorzugsweise direkt proportional zu dem am Magnet 56 angelegten
Signal.
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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.
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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.
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In
den 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 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.
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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 6 vorzugsweise ein zweiter Fluidkanal
in der Nähe
des unteren Totpunkts durch den Steuerspiegel ausgebildet sein.
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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.