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Die Erfindung betrifft einen Hydrotransformator
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein Hydrotransformator ist eine Einheit,
bei der durch hydraulische Kupplung eines Hydromotors und einer
Pumpe ein Energiestrom Q1 × p1 in einen Energiestrom Q2 × p2 umgewandelt wird. Dabei wird einer vorhandenen
Druckversorgung nur so viel hydraulische Energie entnommen, wie
zum Antrieb eines an die Pumpe angeschlossenen Verbrauchers erforderlich
ist. Derartige Hydrotransformatoren können als Radialkolbenmaschine,
als Axialkolbenmaschine oder nach anderen kinematischen Funktionsprinzipien,
beispielsweise als Flügelzellenmaschine ausgeführt sein.
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Die
US
3,188,963 zeigt einen als Schrägscheibenmaschine ausgeführten Hydrotransformator,
bei dem in einem drehbaren Zylinder geführte Verdränger an einer fest stehenden
Schrägscheibe abgestützt sind.
Der Anstellwinkel der Schrägscheibe bestimmt
den Kolbenhub der Verdränger.
Die Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgt über eine Steuerscheibe mit
vier Steuernieren, wobei jeweils ein Steuernierenpaar dem Motor
bzw. der Pumpe zugeordnet ist.
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In der
US
3,079,864 ist ein Hydrotransformator in Flügelzellenbauweise
offenbart. Bei dieser Lösung
sind eine Vielzahl von in Radialrichtung verschiebbaren Verdrängern in
einem Rotor gelagert und gegen einen Hubring vorgespannt. Die Druckmittelzu-
und -abfuhr erfolgt ähnlich
wie bei der vorbeschriebenen Lösung über eine
stirnseitig angeordnete Steuerscheibe.
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Aus der WO 9731185 A1 und der Druckschrift
"Ein neuer alter Bekannter – der
Hydrotransformator", Siegfried Rotthäuser, Peter Achten; O+P "Ölhydraulik
und Pneumatik" 42 (1998) Nr. 6; S. 374 ff. ist der sogenannte INNAS-Hydrotransformator
bekannt, bei dem das Übersetzungsverhältnis, das heißt das Verhältnis zwischen
dem Eingangsdruck und dem zur Versorgung des Verbrauchers vorgesehenen
Druck veränderbar
ist. Hierzu ist ein Steuerspiegel mit drei Steuernieren versehen,
dessen Relativposition zu den Totpunktlagen der Verdränger durch
Verdrehen gegenüber
der Schrägscheibe
einer Axialkolbenmaschine veränderbar
ist.
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Aus der
DE 100 252 48.6 ist eine Weiterbildung
des in der WO 97/31185 A1 offenbarten Hydrotransformators bekannt.
Bei dieser Lösung
münden die
Druckmittelanschlüsse
(Versorgungsanschluss, Arbeitsanschluss, Tankanschluss) in Radialrichtung in
die verdrehbare Steuereinrichtung ein, so dass die in Axialrichtung
wirkenden Kräfte
verringert sind.
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Prinzipbedingt werden bei Hydrotransformatoren
dieser Bauart die Verdrängerräume auch
außerhalb
der Totpunktlagen umgesteuert, wobei diese Umsteuerung bei beliebigen
Kolbengeschwindigkeiten erfolgen kann. Die Umsteuerung läuft im Vergleich
zu Pumpen und Motoren innerhalb eines wesentlich kleineren Drehwinkelintervalls
ab, so dass vergleichsweise hohe Druckgradienten auftreten können, die
zu hoher mechanischer Belastung des Hydrotransformators und einer
starken Geräuschemission
führen
können.
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Neben diesem hohen Druckgradienten
gestaltet sich vor allem die Druckanpassung während der Umsteuerung in der
Praxis sehr schwierig. Im Idealfall sollte der Druck während des
gesamten Steuerwinkelintervalls linear bis zum nachfolgenden Druckniveau
ansteigen bzw. absinken. Es zeigte sich, dass ein derartiges Umsteuerverhalten
nicht über
den gesamten Betriebsbereich des Transformators realisierbar ist.
Durch die starre Umsteuergeometrie kann es zu Kavitationen und Druckspitzen
in den Umsteuerbereichen kommen, so dass die vorbeschriebenen Geräuschemissionen
und die mechanische Belastung des Hydrotransformators weiter verstärkt wird.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Hydrotransformator zu schaffen, bei dem
die Belastung durch Druckgradienten im Umsteuerbereich verringert
ist.
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Dieser Aufgabe wird durch einen Hydrotransformator
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat der Hydrotransformator
eine Vielzahl von Verdrängern,
die jeweils in einem Verdrängerraum
geführt
sind, und die mittels einer Umsteuereinrichtung mit einem Druck-,
einem Verbraucher- oder einem Tankanschluss verbindbar sind, wobei
die Relativposition der Umsteuereinrichtung relativ zu den Totpunktlagen
der Verdränger
veränderbar
ist. Erfindungsgemäß wird das Ölvolumen des
umzusteuernden Verdrängerraumes
während der
Umsteuerphase vergrößert. Dies
erfolgt dadurch, dass der jeweilige Verdrängerraum in dieser Umsteuerphase
mit einem Umsteuerraum verbunden wird. Durch diese Vergrößerung des Ölvolumens
werden die Druckgradienten, Druckspitzen sowie die Geräuschemissionen
in der Umsteuerphase erheblich verringert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
hat die Steuereinrichtung drei am Umfang verteilte Steuerausnehmungen,
wobei die Umsteuerräume
jeweils im Bereich zwischen zwei benachbarten Steuerausnehmungen
münden.
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Dabei wird es besonders bevorzugt,
wenn diese Steuerausnehmungen etwa nierenförmig ausgebildet sind und die
Umsteuerräume
jeweils in einem der Nierentrennstege münden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Steuernieren und Durchgangsbohrungen der Umsteuerräume in einem
Steuerspiegel der Steuereinrichtung ausgebildet.
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Vorzugsweise hat die Umsteuereinrichtung im
Anschluss an den Steuerspiegel einen Grundkörper, in dem ein sich an die
Durchgangsbohrungen des Steuerspiegels anschließender Teil des Umsteuerraums
ausgebildet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
das Volumen jedes Umsteuerraums größer oder zumindest gleich dem
Verdrängungsvolumen
eines Verdrängers ist.
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Das Volumen des Umsteuerraums sollte
vorzugsweise jedoch kleiner als das fünffache des Verdrängungsvolumens
sein. Dieser Bereich kann sich jedoch in Abhängigkeit vom Systemdruck, der Schaltfrequenz
und der Geometrie der Steuerbohrungen ändern.
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Der erfindungsgemäße Hydrotransformator ist vorzugsweise
als Axialkolben-Schrägachseneinheit
ausgeführt.
Wie eingangs bereits erwähnt,
kann die Erfindung auch bei anderen kinematischen Funktionsprinzipien
für Hydrotransformatoren
angewendet werden.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im folgenden wird ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Darstellung eines Hydrotransformators in Schrägachsenbauweise;
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2 eine
Vorderansicht auf ein Steuerteil des Hydrotransformators aus 1;
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3 eine
dreidimensionale Darstellung des Steuerteils aus 2 und
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4 einen
Längsschnitt
durch das Steuerteil aus den 2 und 3.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Prinzipdarstellung eines Hydrotransformators 1,
der in Schrägachsenbauweise
ausgeführt
ist. Prinzipiell lässt
sich ein derartiger Hydrotransformator 1 als Kombination
eines hydraulischen Motors und einer hydraulischen Pumpe darstellen,
die mechanisch aneinander angekoppelt sind. Gemäß dem eingangs beschriebenen
Stand der Technik können
Hydrotransformatoren durch verstellbare Verdrängereinheiten realisiert werden,
wobei vorzugsweise Axialkolbenmaschinen oder Flügelzellenmaschinen zum Einsatz
kommen. Prinzipiell ist jedoch jede Verdrängereinheit einsetzbar, bei
der die Verdränger
derart ansteuerbar sind, dass sie aufeinanderfolgend mit drei Druckniveaus – dem Versorgungsdruck,
dem Tankdruck und dem Verbraucherdruck (Arbeitsdruck) in Wirkverbindung
bringbar sind.
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Der Hydrotransformator 1 nach 1 hat ein Winkelgehäuse 2,
in dem in einer Zylindertrommel geführte Verdränger, ein Triebflansch und
eine Triebwelle angeordnet sind. An das Winkelgehäuse 2 ist ein
Steuergehäuse 4 angesetzt,
das durch einen Deckel 5 verschlossen ist. Die Zu- und
Abführung
des Druckmittels in bzw. aus den Zylinderräumen erfolgt über ein
im Steuergehäuse 4 unterge brachtes
Steuerteil 12, durch dessen Verstellung das Übersetzungsverhältnis zwischen
Pumpe und Motor veränderbar
ist. Die Umsteuereinrichtung lässt
sich mittels einer Verstelleinrichtung, wie mittels eines Elektromotors 6 oder
eines sonstigen geeigneten Antriebs, beispielsweise eines Zahnradtriebs
mit Bezug zu den Totpunktlagen der Verdränger verstellen.
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Am Winkelgehäuse 2 und am Deckel 5 sind ein
Arbeitsanschluss B, ein Tankanschluss T und ein Versorgungsanschluss
A vorgesehen. Diese Anschlüsse
können
als Axialoder Radialanschlüsse ausgeführt sein.
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Der Aufbau der Schrägachseneinheit
mit den Verdrängern
ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Diesbezüglich sei
beispielsweise auf die Patentanmeldung
DE 100 252 48 verwiesen, so dass
auf eine detaillierte Beschreibung der Schrägachseneinheit verzichtet werden
kann.
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Das im Steuergehäuse 4 drehbar gelagerte Steuerteil 12 aus
den 2 bis 4 hat an seinem Aussenumfang
einen Flansch 14 zur axialen Anlage eines nicht näher dargestellten
Zahnrades. Über
dieses Zahnrad lässt
sich das Steuerteil 12 mit Bezug zu den Totpunktlagen der
Verdränger
verstellen. Das Steuerteil 12 hat stirnseitig (Ansicht
nach 2) einen Steuerspiegel 16,
der dichtend an der drehbar im Winkelgehäuse 2 aufgenommenen
Zylindertrommel anliegt. In dieser Zylindertrommel sind die axialverschiebbaren
und an einer Schrägachse
abgestützten Verdränger geführt. Der
Steuerspiegel 16 wird von drei am Umfang verteilten Steuernieren 18, 20, 22 durchsetzt.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Steuernieren verbleibt ein Nierentrennsteg 25,
in dem eine axiale Sackbohrung 23, 27 bzw. 29 mündet.
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Wie insbesondere aus der dreidimensionalen
Darstellung des Steuerteils 12 in 3 hervorgeht, ist der Steuerspiegel 16 Teil
eines Grundkörpers 24,
an dessen Aussenumfang der Flansch 14 ausgebildet ist.
Im Grundkörper 24 sind
Verbindungskanäle 26, 28, 30 ausgebildet, über die
die Steuernieren 18, 20 bzw. 22 mit den
zugeordneten Druckmittelanschlüssen
verbunden sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerniere 18 über den Verbindungskanal 26 und
radial einmündende
Kanäle 32 mit
dem Tankanschluss T, die Steuerniere 20 über den
Verbindungskanal 28 und einen schräg zur Achse 34 des
Steuerteils 12 verlaufenden Schrägkanal 36 mit dem
Verbraucher- oder Arbeitsanschluss B und die Steuerniere 22 über drei
achsparallel verlaufende Bohrungen 38 mit dem Versorgungsanschluss A
verbunden. D. h., je nach Relativposition zu den Steuernieren 18, 20, 22 können die
Verdränger
mit dem Druck am Tankanschluss T, am Arbeitsanschluss B oder dem
Versorgungsanschluss A beaufschlagt werden. Die Breite der Nierentrennstege 25 ist
so gewählt,
dass ein Verdrängerraum
in der Umsteuerphase zwischen zwei benachbarten Steuernieren vom
Nierentrennsteg 25 überdeckbar
ist. Bei herkömmlichen
Lösungen
sind diese Nierentrennstege geschlossen, so dass in der Umsteuerphase
eine vollständige
Abdeckung des Verdrängerraums
erfolgt. Erfindungsgemäß werden
in der Umsteuerphase die sich im Bereich der Nierentrennstege 25 befindlichen
Verdrängerräume über die
Sackbohrungen 23, 27 und 29 mit in 3 dargestellten Toträumen 40, 42 und 44 verbunden.
Diese sind als axial und radial bzw. schräg angestellte Bohrungsabschnitte
im Grundkörper 24 ausgebildet
und in 3 der Deutlichkeit
halber außerhalb
des Steuerteils 12 dargestellt. Die Geometrie der vorbeschriebenen
Verbindungskanäle 26, 28, 30 und
der davon getrennten Toträume 40, 42, 44 hängt von
der Geometrie des Grundkörpers 24 ab.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Totraum 44 im wesentlichen durch einen zentrisch
liegenden, axial verlaufenden Hohlraum gebildet, der über eine
Querbohrung mit der Sackbohrung 29 verbunden ist. Die beiden
Umsteuerräume 40 und 42 sind
durch radial versetzte, im wesentlichen in Axialrichtung verlaufende
Bohrungsabschnitte ausgebildet, die jeweils durch Schräg- oder
Radialbohrungen miteinander verbunden sind. Der Totraum 44 ist
zum Steuerspiegel 16 hin durch eine Verschlussschraube 45 verschlossen. Die
in Axialrichtung verlaufenden Bohrungen der beiden anderen Toträume sind
von der dem Steuerspiegel 16 abgelegenen Stirnseite des
Steuerteils 12 aus in diese eingebracht und durch Verschlussschrauben 46 verschlossen.
Ebenso sind die Radialbohrungen der Toträume außen durch Verschlussschrauben
verschlossen. Das Volumen der Umsteuerräume, zu dem auch das Volumen
der Sackbohrungen 23, 27, 29 zu zählen ist,
entspricht jeweils zumindest dem Verdrängungsvolumen eines Verdrängers und
sollte zur Minimierung von Kompressions- und Dekompressionsverlusten
das 5fache des Verdrängungsvolumens
eines Verdrängers
nicht übersteigen.
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Die in der rotierenden Zylindertrommel
aufgenommenen Verdränger
werden im Verlauf ihrer Drehbewegung aufeinanderfolgend mit den
drei Steuernieren 18, 20 und 22 verbunden
und mit dem entsprechenden Druck beaufschlagt. In der Umsteuerphase
wird der jeweilige Verdrängerraum über eine der
drei Durchgangsbohrungen 23, 27 und 29 mit dem
zugeordneten Totraum 40, 42 bzw. 44 verbunden,
so dass praktisch das Ölvolumen
des zugeordneten Verdrängerraums
um das Volumen des Totraums vergrössert wird. Durch die daraus
resultierende weiche Umsteuerung werden die vorbeschriebenen Belastungen
und Geräuschemissionen
erheblich verringert und somit der Wirkungsgrad des Hydrotransformators
gegenüber
herkömmlichen
Lösungen
verbessert. Erste Testläufe
mit dem erfindungsgemäßen Hydrotransformator bestätigen die Überlegenheit
gegenüber
den bekannten Lösungen.
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Wie bereits erwähnt, spielt die Form der Hohlräume innerhalb
des Grundkörpers 24 eine
untergeordnete Rolle. Wesentlich ist, dass das Volumen der in den
Umsteuerzonen wirksamen Toträume
in Abhängigkeit
vom Systemdruck, der Schaltfrequenz und der Geometrie der Druchgangsbohrungen
so gemessen wird, dass in der Umsteuerphase die Steifigkeit der
"Ölfeder"
herabgesetzt wird.
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Offenbart ist ein Hydrotransformator
mit einer Vielzahl von Verdrängern,
die jeweils in einen Verdrängerraum
geführt
sind. Die Druckmittelzufuhr und -abfuhr zu bzw. von den Verdrängerräumen wird über eine
mit Steuerausnehmungen versehene Steuereinrichtung gesteuert. Die
Wirkposition der Steuerausnehmungen mit Bezug zu den Totpunktlagen
der Verdränger
lässt sich
verändern,
wobei jeder Verdrängerraum
in einer Umsteuerphase beim Übergang
zwischen zwei benachbarten Steuerausnehmungen mit einem Totraum
verbindbar ist.
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- 1
- Hydrotransformator
- 2
- Winkelgehäuse
- 4
- Umsteuereinrichtung
- 6
- Handhabe
- 10
- Steuergehäuse
- 12
- Steuerteil
- 14
- Flansch
- 16
- Steuerspiegel
- 18
- Steuernieren
- 20
- Steuernieren
- 22
- Steuernieren
- 23
- Durchgangsbohrung
- 24
- Grundkörper
- 25
- Nierentrennsteg
- 26
- Verbindungskanal
- 27
- Durchgangsbohrung
- 28
- Verbindungskanal
- 29
- Durchgangsbohrung
- 30
- Verbindungskanal
- 32
- Kanäle
- 34
- Achse
- 36
- Schrägkanal
- 38
- Bohrungen
- 40
- Umsteuerraum
- 42
- Umsteuerraum
- 44
- Umsteuerraum
- 45
- Verschlussschraube
- 46
- Verschlussschraube