DE19503617A1 - Druckmittelaggregat mit variablem Hubvolumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmittelaggregat, insbesondere einen Hydro­ motor oder eine Hydropumpe, gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige bekannte Druckmittelaggregate sind Gegenstand ständiger Forschung im Hinblick auf eine verbesserte Steuer- und Regelbarkeit. Hierbei kommt insbesondere dem Mechanismus der Verstellung des Hubvolumens bei Maschinen mit variablem Hubvolumen Bedeutung zu, da dieser Mechanismus das Betriebsverhalten wesentlich bestimmt, bei den bekannten Aggregaten einen erheblichen Bauraum beansprucht und darüber hinaus einen wesentlichen Anteil an den Herstellungskosten derartiger Maschinen ausmacht.

Es ist demgemäß das Ziel der Erfindung, ein Druckmittelaggregat mit einem Verstellmechanismus für das Hubvolumen auszubilden, welcher eine kompakte Bauweise ermöglicht, kostengünstig ist und die Verstell­ zeiten für das Hubvolumen verringert.

Dieses Ziel wird mit einem Druckmittelaggregat mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 erreicht. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß der Erfindung weist das Druckmittelaggregat mit variablem Hubvolumen, das insbesondere ein Hydromotor oder eine Hydropumpe ist, einen in einem Gehäuse angeordneten Zylinderblock auf, welcher eine Mehrzahl von Zylindern besitzt, in denen Kolben in bekannter Weise geführt sind. Die Kolben sind in einer entsprechenden Gleitgelenk­ einrichtung an einer Schwenkscheibe abgestützt. Der Zylinderblock ist dabei Bestandteil des Rotors, welcher gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist, wobei der Zylinderblock auf einer Welle gelagert ist, welche ebenfalls Bestandteil des Rotors ist. Auf der der Schwenkscheibe gegen­ überliegenden Seite des Zylinderblockes ist dessen Steuerfläche vorgese­ hen, auf der sich Öffnungen befinden, die mit den Zylinderbohrungen in Verbindung stehen. Bei Drehung des Druckmittelaggregates überstreichen diese Öffnungen entlang der von ihnen beschriebenen Kreisbahn ein geeignet ausgebildetes Steuerorgan, welches die Hydraulikölverteilung zu den jeweiligen Hoch- und Niederdruckleitungen ermöglicht.

Bei dem Druckmittelaggregat gemäß der Erfindung ist dieses Steuerorgan als eine Ventilplatte mit Steueröffnungen ausgebildet. Diese Ventilplatte ist von dem sogenannten Endgehäuse, welches ein Gehäuseelement des Gehäuses darstellt, gehalten. Das Endgehäuse schließt das Gehäuse des Druckmittelaggregates auf der der Schwenkscheibe gegenüberliegenden Seite ab, wobei an ihm vorzugsweise die Anschlußmöglichkeiten für entsprechende Druckleitungen vorgesehen sind. Gemäß der Erfindung ist die Ventilplatte während des Betriebes des Druckmittelaggregates um eine geometrische Achse, um die der Zylinderblock rotiert, zur Einstel­ lung einer gewünschten Winkelposition der Schwenkscheibe verdrehbar.

Auf der Seite des Zylinderblockes, die der Ventilplatte gegenüberliegt, treten aus den Zylinderbohrungen die in den Zylindern befindlichen Kolben aus, welche an ihrem einen Ende eine Einrichtung zum Gleiten auf der Schwenkscheibe aufweisen, die ein Abstützen der Kolben auf dieser Schwenkscheibe ermöglichen.

Die Planfläche der Schwenkscheibe ist, sofern ein von Null verschiedenes Hubvolumen gebildet wird, gegenüber der senkrecht zur geometrischen Drehachse des Zylinderblockes stehenden Ebene geneigt, so daß die Kolben während einer Umdrehung des Zylinderblockes in den Bohrungen einen Hub ausführen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß stets ein Kraft- oder Formschluß zwischen den Kolben und der Schwenkscheibe gegeben ist. Dies wird erreicht, indem der in den Zylindern auf die Kolben wirkende Druck höher ist als der Gehäuseinnendruck und indem ge­ eignete Niederhaltungseinrichtungen für den Kraft- oder Formschluß des Kolbens an der Schwenkscheibe vorgesehen sind.

Bei einem Druckmittelaggregat gemäß der Erfindung kann die Planfläche der Schwenkscheibe um die Querachse gedreht werden, so daß der Kolbenhub und damit das Hubvolumen der Maschine verändert wird. Die Kinematik ist dabei zunächst so ausgelegt, daß kein bevorzugter Schwenk­ winkel der Planfläche eingenommen wird.

Nachfolgend wird das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Druck­ mittelaggregates beschrieben. Die resultierende Kraft aller Kolben infolge des auf die Kolbenstirnfläche wirkenden Druckes wirkt auf die Schwenk­ scheibe an einer Stelle, die in bezug auf die Querrichtung des Druck­ mittelaggregates in der Nähe der geometrischen Drehachse liegt. Hinsicht­ lich der Längsrichtung liegt die Kraft von der geometrischen Drehachse versetzt auf einer Seite, in welcher der höhere Druck wirkt. Der geome­ trische Abstand, um welchen die Kraft von der geometrischen Drehachse versetzt liegt, ist für den erfindungsgemäßen Mechanismus von Bedeu­ tung, da durch diesen seitlichen Versatz der Kraft ein Drehmoment in die Schwenkscheibe eingeleitet werden kann.

Bedingt durch die endliche Kolbenanzahl ist dieser genannte geometrische Abstand vom Drehwinkel des Zylinderblockes abhängig. Bei einem rotierenden Druckmittelaggregat ist dieses jedoch insofern unbedeutend, als die hierdurch auftretende Anregung so hochfrequent ist, daß eine oszillierende Schwenkwinkeländerung mit vernachlässigbar kleinen Am­ plituden auftritt.

Entscheidend für das Druckmittelaggregat ist dagegen der sich im zeitli­ chen Mittel einstellende Kraftschwerpunkt. Dieser Kraftschwerpunkt ist durch die Lage des Druckfeldes auf der Ventilplatte bestimmt. Das Druckfeld ist nicht nur durch die Lage der Kolbenumkehrpunkte, sondern auch durch dynamische Effekte sowie die Umsteuergeometrie der Ventil­ platte bestimmt, welche im wesentlichen die Zeitpunkte des Druckaufbaus bzw. des Druckabbaus durch die Steueröffnungen vorgibt. Im allgemeinen liegen diese Öffnungen hinsichtlich des Teilkreises der Zylinderachsen diametral gegenüber so daß sich in den Zylindern auf einer Halbseite des Zylinderblockes der jeweils höhere und auf der anderen Seite der niedrigere Druck einstellt und auf die Kolbenflächen wirkt.

Die Lage der Trennlinie zwischen den Druckfeldern liegt hierbei nicht notwendigerweise senkrecht zur Querachse der Maschine, sondern ist in Abhängigkeit von der Ventilplattengeometrie und den dynamischen Effekten verdreht. Jede Abweichung von der senkrechten Lage führt zu einem Kraftschwerpunkt, der im zeitlichen Mittel gegenüber der Mittel­ achse der drehbar gelagerten Schwenkscheibe einen Hebelarm besitzt und somit ein Drehmoment auf diese ausübt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß die Ver­ drehung des Druckfeldes über die Verdrehung der Ventilplatte im Be­ trieb derart gesteuert werden kann, daß eine bestimmte Position der Schwenkscheibe ausgeregelt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Druckmittelaggregates gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ventilplatte mit Lage der Zylin­ derbohrungen;

Fig. 3 einen prinzipiellen Druckaufbau an der Ventilplatte;

Fig. 4 am Kolben wirkende Kräfte;

Fig. 5 eine Draufsicht der auf einer Lagerbuchse zentrierten Ven­ tilplatte;

Fig. 6 einen Schnitt durch das Gehäuseelement, welcher die Zen­ trierung der Ventilplatte an der Lagerbuchse veranschau­ licht; und

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau eines Regelkreises für die Steue­ rung/Regelung des Schwenkmotors für die Ventilplatte.

Das in Fig. 1 dargestellte Hydraulikaggregat weist im wesentlichen ein aus zwei Gehäuseelementen 1, 2 bestehendes Gehäuse, welche durch Schrauben und eine dazwischenliegende Dichtung 3 zusammengefügt sind, eine drehbar gelagerte Schwenkscheibe 4, welche um die Achse B dreh­ bar gelagert ist, und einen Zylinderblock 5 auf, der auf einer Welle 6 gelagert ist, wobei beide um eine geometrische Drehachse A rotieren.

Die Welle 6 ist in einer Lagerbuchse 7 und einem Lager 8 gelagert. In dem Zylinderblock 5 sind in mehreren Zylindern 13 jeweils Kolben 9 angeordnet, welche über entsprechende Gleitgelenkelemente 10 auf der Schwenkscheibe 4 abgestützt sind. Darüber hinaus ist eine Vorrichtung 11 zur Sicherung des Kontaktes der Kolben 9 mit der Schwenkscheibe 4 vorgesehen. Fig. 2 zeigt, daß auf der der Schwenkscheibe 4 abgewandten Seite des Zylinderblockes 5 eine mit Steueröffnungen 16a, 16b, 17a, 17b versehene Ventilplatte 12 um die Lagerbuchse 7 drehbar angeordnet ist.

Die in dem Zylinderblock 5 in axialer Richtung vorgesehenen Zylinder bzw. Zylinderbohrungen 13 sind bezüglich des Umfanges des Zylinder­ blockes 5 in vorzugsweise gleichen Winkelschritten gegeneinander versetzt. In jedem der Zylinder 13 ist jeweils ein Kolben 9 verschiebbar angeord­ net. Auf der Seite des Zylinderblockes 5, auf der die Kolben 9 aus den Zylinderbohrungen 13 austreten, ist dieser mit einer Verlängerung 14 ausgestattet. In dieser Verlängerung 14 des hohl ausgebildeten Zylinder­ blockes 5 befindet sich eine Verzahnung 15, die mit einer dazu passen­ den Verzahnungsform, welche sich auf der Welle 6 befindet, in Eingriff steht. Diese Verzahnung 15 dient im wesentlichen der Übertragung des um die geometrische Drehachse A wirkenden Drehmomentes auf die Welle 6. Die Lagerbuchse 7 und das Lager 8 zur Lagerung der Welle 6 sind jeweils in den Gehäuseelementen 1 bzw. 2 aufgenommen.

Der im Zylinderraum 16 herrschende Druck wirkt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, auf die Kolbenfläche 17 und verschiebt auf diese Weise den Kolben 9 aus der Zylinderbohrung 13. Die in den Kolben 9 einge­ leitete Kraft wird auf der Gegenseite des Kolbens 9 als Reaktionskraft auf die Schwenkscheibe 4 übertragen. Je nach Lage der Steueröffnungen 16a, 16b, 17a, 17b bezüglich der die einzelnen Zylinderräume 16 mit Hydrauliköl versorgenden Zulaufbohrungen wird der auf den jeweiligen Kolben 9 wirkende Druck durch die Lage hinsichtlich der Druckseiten bestimmt. In Fig. 2 ist die Ventilplatte durch eine gedachte im wesentli­ chen senkrechte Gerade geteilt, wodurch die Druckseite p1 und die Druckseite p2 definiert sind. Somit werden die Druckseiten durch diese gedachte Gerade geteilt, welche im wesentlichen durch die Symmetrie­ achse der Ventilplatte 12 verläuft. Diese Symmetrieachse steht nicht notwendigerweise senkrecht zur gedachten Achse B, sondern kann auch über einen sogenannten Verdrillungswinkel 22 verändert werden.

In Fig. 3 ist der Druckaufbau an einer Ventilplatte in prinzipieller Darstellung gezeigt. Der in Umfangsrichtung etwa auf der Druckseite p1 herrschende konstante Druck wird durch jeweilige Druckflanken 15a, 15b begrenzt. Der Verdrillungswinkel bestimmt die Lage der Druckseiten, wobei die exakte Lage der Druckflanken 15a, 15b noch durch dynami­ sche Effekte und die Art der Geometrie der Steueröffnungen 16a, 16b, 17a, 17b überlagert ist. Ausgangspunkt für die Bestimmung der Lage der Druckseiten ist jedoch stets der Verdrillungswinkel 22.

Die Lage und Größe der auf die Schwenkscheibe 4 ausgeübten Kraft wird durch Summierung über alle Kolbenkräfte erhalten. Wegen der endlichen Kolbenanzahl ergibt sich auch bei konstanten Betriebsbedingun­ gen eine sowohl hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich der Lage variierende Summenkraft. Diese Summenkraft weist zum einen einen mit der Kolbenfrequenz auftretenden Anteil, wobei die Kolbenfrequenz als die Anzahl der Kolben 9 multipliziert mit der Drehzahl der Welle 6 definiert ist, und einen sich im zeitlichen Mittel einstellenden Wert bzw. Anteil auf. Der mit der Kolbenfrequenz auftretende Anteil soll hier nicht betrachtet werden, sondern nur der sich im zeitlichen Mittel einstellende Wert bezüglich Lage und Größe der Kraft. Im allgemeinen verläuft die Wirkungslinie des Summenkraftvektors F nicht durch die Achse B, so daß die Summenkraft ein Drehmoment auf die Schwenkscheibe um diese Achse erzeugt. In Fig. 2 ist der Summenkraftvektor F bezüglich der Achse B exzentrisch eingetragen.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckmittelaggregat ist nun durch die Wahl eines geeigneten Verdrillungswinkels 22 die Wirkungslinie des Summen­ kraftvektors F verschoben, womit gezielt ein Moment auf die Schwenkscheibe 4 ausgeübt werden kann. Dadurch kann die Schwenk­ scheibe 4 auf einfache Weise geschwenkt werden. Druckmittelaggregate mit variablem Hubvolumen sind deshalb in einfacher Konstruktion, kostengünstig und mit reduzierten Verstellzeiten ausbildbar.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus die Dreh­ achse B der Schwenkscheibe 4 geometrisch fest um einen Betrag von der Drehachse verschoben (siehe Fig. 2), so daß auch bei Gleichheit der Drücke auf den Druckseiten die Summenkraft einen Hebelarm zur Achse B, besitzt. Bei Verdrehung der Ventilplatte zur Veränderung der Wir­ kungslinie des Summenkraftvektors F wird diese Nullpunktverschiebung kompensiert.

In Fig. 5 ist die auf der Lagerbuchse 7 angeordnete Ventilplatte 12 in Verbindung mit dem Exzenter 19 dargestellt. Eine Ansicht durch die mit C-C bezeichnete Schnittebene ist in Fig. 6 dargestellt. Die Ventilplatte besitzt eine gabelartige Ausbildung an einem Ende, in deren Schlitz ein exzentrisch angebrachter Bolzen (Exzenter 19) eingreift. Dieser Exzenter 19 wird durch einen Schwenkmotor 18 angetrieben, wodurch die Ventil­ platte 12 verdreht werden kann. Die Ventilplatte 12 ist auf dem Außen­ umfang der Lagerbuchse 7 zentriert. Der Antrieb der Ventilplatte 12 über einen Exzenter 19, welcher durch den Schwenkmotor 18 angetrieben ist, stellt eine sehr kompakte konstruktive Lösung dar.

Der Schwenkmotor 18 seinerseits ist über ein hydraulisches Stellglied 20, welches vorzugsweise in einen geschlossenen Regelkreis eingebunden ist, angesteuert (siehe Fig. 7). Zur Erfassung der jeweiligen Position der Schwenkscheibe 4 kann ein elektrischer Aufnehmer 21 vorgesehen sein, so daß die Regelung einen Soll-/Istwert-Vergleich durchführen kann.

Mit dieser Vorrichtung zum Verdrehen der Ventilplatte 12 sind die darin ausgebildeten Steueröffnungen 16a, 16b, 17a, 17b, welche im wesentlichen auf einer Kreislinie angeordnet sind, deren Durchmesser dem der Anord­ nung der Druckleitungsanschlüsse für die einzelnen Zylinder 13 entspricht und die im wesentlichen länglich und mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind, gegenüber den Druckleitungsanschlüssen verdrehbar.

Claims (9)

1. Druckmittelaggregat, insbesondere Hydromotor oder Hydropumpe, mit variablem Hubvolumen, welches einen in einem Gehäuse (1, 2) an­ geordneten Zylinderblock (5) mit einer Mehrzahl von in Zylindern (13) geführten Kolben (9) aufweist, die gleitbar an einer Schwenk­ scheibe (4) abgestützt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Ventilplatte (12) mit Steueröffnungen (16a, b; 17a, b) vorgesehen ist; und
die Ventilplatte (12) während des Betriebes des Druckmittelaggrega­ tes um eine Achse (A) des Zylinderblockes (5) zur Einstellung einer gewünschten Winkelposition der Schwenkscheibe (4) verdrehbar ist.

2. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (12) mit einem Schwenkmotor (18) mit einem Exzenter (19) verdrehbar ist.

3. Druckmittelaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (12) auf einer im Gehäuse aufgenommenen Lager­ buchse (7) zentriert ist.

4. Druckmittelaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwenkmotor (18) mit einem diesen ihn regelnden elektronischen Regelkreis verbunden ist, welcher ein hydraulisches Stellglied (20) für den Schwenkmotor ansteuert.

5. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der durch die Druckbeaufschlagung der Kolben (9) entstehenden, auf die Schwenkscheibe (4) ausgeübten Kräfte in Ab­ hängigkeit vom Winkel der Verdrehung der Ventilplatte (12) um die eine geometrische Mittelachse des Druckmittelaggregates definierende Achse (A) positionierbar ist.

6. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (12) zwischen einem Gehäusee­ lement (1) des Gehäuses (1, 2) und dem Zylinderblock (5) angeord­ net ist.

7. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (16a, 16b; 17a, 17b) der Ventilplatte (12) auf einer Kreislinie, deren Durchmesser dem der Anordnung von Druckleitungsanschlüssen für die einzelnen Zylinder (13) entspricht, im wesentlichen länglich ausgebildet sind.

8. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkscheibe (4) bezüglich ihrer Plan­ fläche um eine Querachse (B) schwenkbar ist.

9. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (16a, 16b; 17a, 17b) der Ventilplatte (12) unter­ schiedliche Querschnitte aufweisen.