DE10220543A1

DE10220543A1 - Hydrotransformator

Info

Publication number: DE10220543A1
Application number: DE2002120543
Authority: DE
Inventors: Alexander Mark
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hydrotransformator, insbesondere in Axialkolbenbauweise, mit einem rotierenden Verdrängerteil, in dem eine Vielzahl von volumenveränderliche Verdrängerräume begrenzenden Verdrängern geführt sind, mit einem Hubteil, an dem die Verdränger abgestützt sind, und mit einem Steuerspiegel, der drei Steuernieren aufweist, über die die Verdrängerräume bei der Rotation des Verdrängerteils nacheinander mit einem Versorgungsanschluß, mit einem Verbraucheranschluß und mit einem Tankanschluß verbindbar sind, und der gegenüber den Totpunktlagen der Verdränger verdrehbar ist. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hydrotransformator der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sich die Regelung des Systems Hydrotransformator und hydraulischer Verbraucher (z. B. Hydrozylinder) vereinfachen läßt. DOLLAR A Bei einem erfindungsgemäßen Hydrotransformator ist die Steuernierengeometrie nun in der Hinsicht optimiert, daß die Streubreite des für das Anlaufen des Triebwerks erforderlichen Anlaufwinkelintervalls, um das der Steuerspiegel zu verdrehen ist, minimiert ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Hydrotransformator, der insbesondere als Axialkolbenmaschine ausgebildet ist und die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2 aufweist.
Ein solcher Hydrotransformator ist aus der WO 97/31185 bekannt. Er ist dort in Axialkolbenbauweise ausgeführt Die Axialkolben befinden sich in einer drehbar gelagerten Verdrängertrommel und stützen sich an einer Schrägscheibe ab. Verdrängertrommel und Schrägscheibe bilden das Triebwerk. Der Hydrotransformator besitzt einen Steuerspiegel, der mit drei auf einem Kreis liegenden Steuernieren versehen ist, von denen eine erste mit einem Versorgungsanschluß, eine zweite mit einem Verbraucheranschluß und eine dritte mit einem Tankanschluß oder einem Niederdruckanschluß verbunden ist. Beim Drehen der Verdrängertrommel kommen die von den Kolben begrenzten Verdrängerräume nacheinander mit den Steuernieren in fluidische Verbindung. Die Drehposition des Steuerspiegels bezüglich der Totpunktlagen der Verdränger läßt sich verändern. Hierdurch kann das Druckübersetzungsverhältnis zwischen dem Druck im Versorgungsanschluß und dem Druck im Verbraucheranschluß variiert werden.
Ein derart aufgebauter Hydrotransformator besitzt eine endliche Anzahl von Verdrängern. Bei Axialkolbenmaschinen sind 7 oder 9 Axialkolben üblich. Diese werden abwechselnd mit allen drei Anschlüssen/Druckniveaus verbunden. Es handelt sich also um eine diskontinuierlich arbeitende hydraulische Maschine. Maßgeblich für den vom Hydrotransformator abgegebenen und aufgenommenen Volumenstrom ist seine Drehzahl sowie die Steuerspiegelstellung.
Auf die rotierenden Bauteile der Maschine wirken die Teilmomente der drei Steuernieren. Diese ergeben sich durch die Anzahl der mit der Niere verbundenen Verdränger sowie deren Stellung relativ zu den Totpunktlagen. Für stationäre Betriebszustände ist das mittlere Drehmoment auf die rotierenden Bauteile gleich null. Der zeitliche Verlauf des resultierenden Moments kann, je nach Ausführung des Hydrotransformators, jedoch sehr großen Schwankungen unterworfen sein, die z. B. durch eine periodisch wechselnde Anzahl von Verdrängern pro Steuerniere verursacht werden.
Die Regelung des Systems Hydrotransformator und hydraulischer Verbraucher (z. B. Hydrozylinder) läßt sich sehr gut realisieren, solange der Hydrotransformator eine gewisse Mindestdrehzahl, die betriebspunktabhängig ist, nicht unterschreitet. Bei sehr kleinen Verbrauchervolumenströmen und damit Drehzahlen des Hydrotransformators kommt es nun vor, dass die kinetische Energie der Rotationsbewegung des Triebwerks nicht mehr ausreicht, um die Momentensprünge zu überbrücken. Dann bleibt das Triebwerk in der Reibung stecken. Zum Wiederanlauf muß die Momentenbilanz durch Verdrehen des Steuerspiegels derart verändert werden, dass das Anlaufreibmoment der Maschine überwunden wird.
Das gilt nicht nur für die Regelung sehr kleiner Verbrauchervolumenströme, sondern ganz allgemein für Betriebszustände, bei denen ein Nulldurchgang der Drehzahl auftreten kann, z. B. bei einer Drehrichtungsumkehr des Hydrotransformators, die eine Bewegungsrichtungsumkehr des hydraulischen Verbrauchers bedeutet, oder bei Druckregelung mit Verbrauchervolumenstrom gleich null. In diesen Fällen muß die Regelung gezielt eingreifen, um das (stick-slip-)Verhalten des Hydrotransformators zu kompensieren. Die hierzu erforderlichen Winkeländerungen am Steuerspiegel lassen sich jedoch nicht exakt prognostizieren, da sie einer zufälligen, geometrisch bedingten Streubreite unterworfen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hydrotransformator der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sich die Regelung des Systems Hydrotransformator und hydraulischer Verbraucher (z. B. Hydrozylinder) vereinfachen läßt.
Das angestrebte Ziel wird mit einem Hydrotransformator gemäß Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2 erreicht.
Der theoretisch ideale Hydrotransformator mit unendlicher Verdrängerzahl reagiert auf infinitesimal kleine Verdrehungen des Steuerspiegels mit einer entsprechend kleinen Änderung der Momentenbilanz. Der reale Hydrotransformator mit endlicher Verdrängerzahl reagiert jedoch erst mit einer dann sprunghaften Änderung der Momentenbilanz, wenn eine Verdrehung des Steuerspiegels gegenüber dem stehenden Triebwerk einen Umsteuervorgang einleitet. Der Maximalbetrag des Winkels, um den der Steuerspiegel verdreht werden muß, ist rein geometrisch bedingt. Im Betrieb kann jeder beliebige Winkel zwischen 0 und dem geometrischen Maximalbetrag auftreten, da die Relativposition zwischen den Verdrängern und den Steuernieren im Stillstand rein zufällig ist. Bei einem erfindungsgemäßen Hydrotransformator ist die Steuernierengeometrie nun in der Hinsicht optimiert, daß die Streubreite des für das Anlaufen des Triebwerks erforderlichen Anlaufwinkelintervalls, um das der Steuerspiegel zu verdrehen ist, minimiert ist.
Die kleinstmögliche Streubreite des geometrischen Anlaufwinkelintervalls lässt sich bei einer Gesamtzahl von drei Steuernieren wie folgt angeben:
Im folgenden wird der Teilungswinkel der Verdrängerräume mit α_T bezeichnet. Er errechnet sich wie folgt:
Für die Wahl der Steuernierenöffnungswinkel ist zu unterscheiden, ob die Verdrängerzahl ein ganzzahliges Vielfaches der Steuernierenzahl (also ein Vielfaches von drei) ist oder nicht.
Für den ersten Fall, in dem die Anzahl n_Verdränger der Verdränger ein Vielfaches von 3 ist, sind gemäß der Erfindung die effektiven Nierenöffnungswinkel α wie folgt aufzuteilen:

α_Niere1 = x.α_T + 2.Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T - Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T - Δδ_min

α_Niere2 = y.α_T - Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T + 2.Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T - Δδ_min

α_Niere3 = z.α_T - Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T - Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T + 2.Δδ_min

oder

α_Niere1 = x.α_T - 2.Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T + Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T + Δδ_min

α_Niere2 = y.α_T + Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T - 2.Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T + Δδ_min

α_Niere3 = z.α_T + Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T + Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T - 2.Δδ_min

wobei gilt: x + y + z = n_Verdränger und x, y, z > 0 und x, y, z ganzzahlig. Niere1 sei dabei die mit dem Versorgungsanschluß, Niere2 die mit dem Verbraucheranschluß und Niere3 die mit dem Tankanschluß verbundene Niere. Drei gleich große Steuernieren treten hier nicht auf.
Im zweiten Fall ist die Anzahl n_Verdränger der Verdränger kein Vielfaches von 3. Dann sind gemäß der Erfindung die effektiven Nierenöffnungswinkel α wie folgt aufzuteilen:

α_Niere1 = 120° + x.α_T

α_Niere2 = 120° = y.α_T

α_Niere3 = 120° + z.α_T

wobei gilt: x + y + z = 0 und x, y, z ganzzahlig (auch negative Beträge möglich), so dass α_Niere1, α_Niere2, α_Niere3 > 0.
Die oben angegebenen Gleichungen beziehen sich auf die rein geometrische Streubreite des zum Anlaufen notwendigen Verdrehwinkels unter der Voraussetzung von Nullüberdeckung. Bei negativer Überdeckung verkleinert sich die Streubreite um den Überdeckungswinkelbetrag, bei positiver Überdeckung erhöht sie sich entsprechend.
Ein erfindungsgemäßer Hydrotransformator sowie mehrere Steuerspiegel mit einer erfindungsgemäßen Kombination der Öffnungswinkel der Steuernieren sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen als Schrägachsenmaschine ausgeführten und zehn Axialkolben aufweisenden Hydrotransformator,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Steuerscheibe des Hydrotransformators aus Fig. 1 mit drei Steuernieren mit gleichen Öffnungswinkeln,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Steuerscheibe mit ungleich langen Steuernieren zur Verwendung bei dem Hydrotransformator nach Fig. 1, und
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Steuerscheibe zur Verwendung bei einem Hydrotransformator mit einer Anzahl von Axialkolben, die ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist.
Der Hydrotransformator nach Fig. 1 hat ein angewinkeltes Gehäuse 2, in dem eine Schrägachse 4 und eine Zylindertrommel 6 drehbar gelagert sind. Die Schrägachse 4 ist über Wälzlager 8 drehbar gelagert, mit denen eine Abstützung in Radial- und Axialrichtung erfolgt. Schrägachse 4 und Zylindertrommel 6 bilden das Triebwerk der Maschine.
Die Schrägachse 4 trägt an ihrem zur Zylindertrommel 6 weisenden Endabschnitt einen Triebflansch 10, der kugelgelenkähnliche Aufnahmen für Kolbenstangen 12 von in Zylinderräumen 18 der Zylindertrommel aufgenommenen Axialkolben 14aufweist. Schrägachse 4 und Zylindertrommel 6 sind im wesentlichen über einen zentralen Mitnehmer 16 miteinander gekoppelt. Die Drehachsen der Zylindertrommel 6 und der Schrägachse 4 sind gegeneinander angestellt, wobei der Anstellwinkel die Totpunktlagen der Axialkolben in den Zylinderräumen 18 der Zylindertrommel 6 bestimmt. Dieser Anstellwinkel kann - wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel - unveränderlich oder aber auch verstellbar sein.
Von jedem Zylinderraum 18 erstrecken sich Kanäle 20 zur Stirnfläche der Zylindertrommel 6, über die die Druckmittelzufuhr und -abfuhr zu den Zylinderräumen erfolgt. Die Stirnfläche, in der die Kanäle 20 münden, ist sphärisch ausgebildet. An dieser sphärischen Stirnfläche liegt ein Steuerspiegel 22 an.
Gemäß Fig. 2 weist der Steuerspiegel 22 drei Steuernieren 24, 26 und 28 auf, über die die Kanäle 20 mit einem Versorgungsanschluß, mit einem Arbeitsanschluß und mit einem Tankanschluß verbindbar sind. Jede der Steuernieren 24, 26, 28 ist dabei einem der genannten Anschlüsse zugeordnet. Bei einer Rotation der Zylindertrommel 6 überfährt ein Zylinderraum 18 somit drei verschiedene Druckniveaus (Versorgungsdruck, Lastdruck, Tank- oder Rücklaufdruck). Am Außenumfang des Steuerspiegels 22 ist eine Außenverzahnung 30 ausgebildet, die mit einem Zahnriemen 32 kämmt. Der Antrieb des Zahnriemens 32 erfolgt mittels eines Antriebsritzels 34, das an der Ausgangswelle eines Elektromotors 36 befestigt ist. Dieser Elektromotor kann beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet sein.
Der Steuerspiegel 22 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über Nadellager 38 in einem Gehäusekopf 40 gelagert, der über eine Zwischenplatte 42 am Gehäuse 2 angeflanscht ist.
Der Versorgungsanschluß, der Arbeitsanschluß und der Tankanschluß sind in einem Anschlußteil 45 ausgebildet, das stirnseitig auf den Gehäusekopf 40 aufgesetzt ist.
Die Drehwinkelposition des Steuerspiegels 22 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittelbar über einen Drehwinkelsensor 46 erfaßt, der die Drehwinkelposition des Elektromotors 36 detektiert.
Die Drehzahl der Zylindertrommel 6 wird durch einen Sensor 50 erfaßt, der mit einer Kennung 48 an der einen Stirnfläche der Schrägachse 4 zusammenwirkt.
Die Schrägachse 4, der Mitnehmer 16 und die Zylindertrommel 6 sind von einem Rücklaufkanal 52 durchsetzt, der eine Abführung von Druckmittel aus dem Lagerbereich zum Tank ermöglicht.
Der in Fig. 1 gezeigte Hydrotransformator besitzt zehn Axialkolben 14, die in gleichen Winkelabständen voneinander von den Zylinderräumen 18 der Zylindertrommel 6 aufgenommen sind. Die drei Steuernieren 24, 26 und 28 des Steuerspiegels 22 haben alle denselben Öffnungswinkel von 120 Grad, wobei sich ein Öffnungswinkel über die eigentliche Steuerniere plus eine Überdeckung zwischen zwei Steuernieren erstreckt. Zehn Axialkolben bedeutet, daß die Anzahl der Verdränger nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 3 ist. Der Hydrotransformator ist also unter Fall 2 einzuordnen. Gleich große Öffnungswinkel von 120 Grad für die Steuernieren erhält man, wenn man in den weiter oben angegebenen Beziehungen für die Öffnungswinkel x, y und z gleich 0 setzt.
Bei dem Steuerspiegel nach Fig. 3 hat die mit dem Versorgungsanschluß verbundene Steuerniere 24 einen Öffnungswinkel von 156 Grad, die mit dem Arbeitsanschluß verbundene Steuerniere 26 einen Öffnungswinkel von 120 Grad und die mit dem Tankanschluß verbundene Steuerniere 28 einen Öffnungswinkel von 84 Grad. Zu diesen Öffnungswinkeln kommt man, wenn man für den Fall, daß die Anzahl der Verdränger nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 3 ist, x gleich 1, y gleich 0 und z gleich -1 setzt.
In Fig. 4 ist ein Steuerspiegel für einen Hydrotransformator gezeigt, der beispielsweise zwölf Verdränger, also eine Anzahl von Verdrängern hat, die ein ganzzahliges Vielfache von 3 ist. Setzt man hier x gleich 3, y gleich 5 und z gleich 4, so ergeben x + y + z gleich 12 (ist gleich Anzahl der Verdränger) und für die Öffnungswinkel der Steuernieren erhält man bei Anwendung der ersten Alternative aus dem Fall 1 110 Grad für den Öffnungswinkel der Steuerniere 24, 140 Grad für den Öffnungswinkel der Steuerniere 26 und 110 Grad für den Öffnungswinkel der Steuerniere 28.

Claims

1. Hydrotransformator, insbesondere in Axialkolbenbauweise, mit einem rotierenden Verdrängerteil (6), in dem eine Vielzahl von volumenveränderliche Verdrängerräume (18) begrenzenden Verdrängern (14) geführt sind, mit einem Hubteil (10), an dem die Verdränger (14) abgestützt sind, und mit einem Steuerspiegel (22), der drei Steuernieren (24, 26, 28) aufweist, über die die Verdrängerräume (18) bei der Rotation des Verdrängerteils (6) nacheinander mit einem Versorgungsanschluß, mit einem Verbraucheranschluß und mit einem Tankanschluß verbindbar sind, und der gegenüber den Totpunktlagen der Verdränger (14) verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verdränger (14) ein Vielfaches von drei ist und daß die Öffnungswinkel der Steuernieren (24, 26, 28) einer der folgenden Kombinationen genügen:
α_Niere1 = x.α_T + 2.Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T - Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T - Δδ_min
α_Niere2 = y.α_T - Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T + 2.Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T - Δδ_min
α_Niere3 = z.α_T - Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T - Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T + 2.Δδ_min
oder
α_Niere1 = x.α_T - 2.Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T + Δδ_min oder α_Niere1 = x.α_T + Δδ_min
α_Niere2 = y.α_T + Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T - 2.Δδ_min oder α_Niere2 = y.α_T + Δδ_min
α_Niere3 = z.α_T + Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T + Δδ_min oder α_Niere3 = z.α_T - 2.Δδ_min
wobei x + y + z gleich der Anzahl der Verdränger (14) ist und x, y und z größer null und ganzzahlig sind und
wobei gilt:

2. Hydrotransformator, insbesondere in Axialkolbenbauweise, mit einem rotierenden Verdrängerteil (6), in dem eine Vielzahl von volumenveränderliche Verdrängerräume (18) begrenzenden Verdrängern (14) geführt sind, mit einem Hubteil (10), an dem die Verdränger (14) abgestützt sind, und mit einem Steuerspiegel (22), der drei Steuernieren (24, 26, 28) aufweist, über die die Verdrängerräume bei der Rotation des Verdrängerteils (6) nacheinander mit einem Versorgungsanschluß, mit einem Verbraucheranschluß und mit einem Tankanschluß verbindbar sind, und der gegenüber den Totpunktlagen der Verdränger (14) verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verdränger (14) ungleich einem Vielfachen von drei ist und daß die Öffnungswinkel der Steuernieren (24, 26, 28) der folgenden Kombination genügen:
α_Niere1 = 120° + x.α_T
α_Niere2 = 120° = y.α_T
α_Niere3 = 120° + z.α_T,
wobei gilt:

und x + y + z = 0 und x, y, z ganzzahlig (auch negative Beträge möglich), so dass α_Niere1, α_Niere2, α_Niere3 > 0.

3. Hydrotransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel einer Steuerniere (24, 26, 28) unterschiedlich von den Öffnungswinkeln der beiden anderen Steuernieren (24, 26, 28) ist.

4. Hydrotransformator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Öffnungswinkel der Steuernieren (24, 26, 28) verschieden voneinander sind.