DE19503617C2 - 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 Ma­ schinen mit variablem Hubvolumen Bedeutung zu, da dieser Mechanismus das Betriebsverhalten wesentlich bestimmt, bei den bekannten Aggregaten einen erheblichen Bauraum beansprucht und darüber hinaus einen wesentli­ chen Anteil an den Herstellungskosten derartiger Maschinen ausmacht.

In DE-AS 10 07 629 ist eine Mehrzylinder-Pumpe für Flüssigkeiten in axialer Kolbenbauart beschrieben, bei welcher umlaufende Zylinderkörper symmetrisch zur Achse der Mehrzylinder-Pumpe angeordnet sind. Eine drehbare Druckscheibe ist gegen eine stehende verschwenkbare Schrägscheibe abgestützt. Im Pumpengehäuse sind keine speziellen Teile für deren Steue­ rung untergebracht, da die Pumpe über eine einstellbare Drossel in der Saugleitung steuerbar ist.

In DE 40 28 852 A1 ist ein Hydraulikaggregat in Axialkolbenbauart mit einer drehbaren Zylindertrommel beschrieben. Eine einen Ansaugschlitz und einen Auslaßschlitz aufweisende Ventilplatte steht in Reibeingriff mit einer Endfläche der Zylindertrommel. Die Ventilplatte dient nicht der Hubvolumen­ variierung des Druckmittelaggregates, sondern deren Auslaßschlitz ist viel­ mehr dafür vorgesehen, überschüssige Hydraulikflüssigkeit abfließen zu lassen. Die Hydraulikflüssigkeitssteuerung erfolgt über ein druckgesteuertes Ventil, welches kein einstellbares Element mit Steueröffnungen aufweist. Vielmehr ist das Ventilelement in Eingriff mit einer Stützplatte, um die Strömung der Hydraulikflüssigkeit entsprechend der Kraft einer Druckschrau­ benfeder zu regeln.

In DE 37 43 125 A1 ist eine Axialkolbenpumpe mit konstanter oder ver­ stellbarer Fördermenge beschrieben, bei welcher eine Steuerplatte zwischen einer Zylindertrommel und einer Anschlußplatte angeordnet und um die Mittelachse drehfest an der Anschlußplatte gehalten ist. Die Steuerplatte weist nierenförmige Steueröffnungen auf, wobei die Drehsicherung der Steuerplatte dabei durch eine Zapfenverbindung erfolgt. Die Steuerplatte ist lediglich wahlweise mit ihrer einen oder anderen Stirnseite an die Anschluß­ platte ansetzbar, eine Steuerung des Hubvolumens durch Verdrehung der Steuerplatte ist nicht vorgesehen.

In DE 35 90 198 T1 ist eine Ventilplatte für eine Hydraulikeinheit be­ schrieben, welche relativ zum Gehäuse drehfest angeordnet ist. Die Ventil­ platte ist lediglich umkehrbar im Gehäuse montierbar; eine Verstellung der Ventilplatte relativ zu dem Gehäuse ist somit nicht möglich. Demzufolge ist auch ein spezieller Antrieb für eine solche Ventilplatte nicht vorgesehen.

In Patent Abstracts of Japan, M-1127, June 24, 1991, Vol. 15/No. 244, ist ein Druckmittelaggregat mit einer drehbar angeordneten Ventilplatte mit Zufuhröffnungen in einer Ventilplatte beschrieben, wobei die Öffnungen über das Verdrehen der Ventilplatte steuerbar sind. Zum Drehen der Ventilplatte ist ein Kolbenmechanismus vorgesehen, welcher zum Schwenken der Ventil­ platte ein Paar Kolben benötigt, und zwar einen ersten Kolben zur Bewe­ gung der Ventilplatte in eine Richtung und einen zweiten Kolben zur Bewe­ gung derselben in die entgegengesetzte Richtung. Um eine derartige Ventil­ platte mit einem Zapfen in die entsprechende Drehbewegung zu versetzen, ist ein wechselseitiges Ansteuern der Hubkolben erforderlich, was einen relativ trägen Steuervorgang zur Folge hat.

Es ist demgemäß das Ziel der Erfindung, ein Druckmittelaggregat mit einem Verstellmechanismus für das Hubvolumen auszubilden, welcher eine kom­ pakte Bauweise ermöglicht, kostengünstig ist und die Verstellzeiten 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 Hubvolu­ men, 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 Gleitgelenkeinrichtung 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 gegenüberliegenden Seite des Zylin­ derblockes ist dessen Steuerfläche vorgesehen, 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, wel­ ches die Hydraulikölverteilung zu den jeweiligen Hoch- und Niederdruck­ leitungen 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 Druckmittel­ aggregates auf der der Schwenkscheibe gegenüberliegenden Seite ab, wobei an ihm vorzugsweise die Anschlußmöglichkeiten für entsprechende Druck­ leitungen vorgesehen sind. Gemäß der Erfindung ist die Ventilplatte während des Betriebes des Druckmittelaggregates um eine geometrische Achse, um die der Zylinderblock rotiert, zur Einstellung einer gewünschten Winkelposi­ tion 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 Schwenk­ scheibe 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 geeignete Niederhaltungseinrichtun­ gen 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 Schwenkwinkel der Planfläche eingenommen wird.

Nachfolgend wird das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Druckmittel­ aggregates beschrieben. Die resultierende Kraft aller Kolben infolge des auf die Kolbenstirnfläche wirkenden Druckes wirkt auf die Schwenkscheibe an einer Stelle, die in bezug auf die Querrichtung des Druckmittelaggregates in der Nähe der geometrischen Drehachse liegt. Hinsichtlich der Längsrichtung liegt die Kraft von der geometrischen Drehachse versetzt auf einer Seite, in welcher der höhere Druck wirkt. Der geometrische Abstand, um welchen die Kraft von der geometrischen Drehachse versetzt liegt, ist für den erfin­ dungsgemäßen Mechanismus von Bedeutung, 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 rotieren­ den Druckmittelaggregat ist dieses jedoch insofern unbedeutend, als die hierdurch auftretende Anregung so hochfrequent ist, daß eine oszillierende Schwenkwinkeländerung mit vernachlässigbar kleinen Amplituden auftritt.

Entscheidend für das Druckmittelaggregat ist dagegen der sich im zeitlichen 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 dynami­ sche Effekte sowie die Umsteuergeometrie der Ventilplatte 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 Kraft­ schwerpunkt, der im zeitlichen Mittel gegenüber der Mittelachse der drehbar gelagerten Schwenkscheibe einen Hebelarm besitzt und somit ein Drehmo­ ment auf diese ausübt.

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

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Druckmittelaggregates gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ventilplatte mit Lage der Zylinderboh­ rungen;

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 Zentrie­ rung der Ventilplatte an der Lagerbuchse veranschaulicht; und

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau eines Regelkreises für die Steuerung/- 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 drehbar 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 entspre­ chende 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 Zylinderblockes 5 in vorzugsweise gleichen Winkelschritten gegeneinander versetzt. In jedem der Zylinder 13 ist jeweils ein Kolben 9 verschiebbar angeordnet. Auf der Seite des Zylinderblockes 5, auf der die Kolben 9 aus den Zylinderbohrun­ gen 13 austreten, ist dieser mit einer Verlängerung 14 ausgestattet. In dieser Verlängerung 14 des hohl ausgebildeten Zylinderblockes 5 befindet sich eine Verzahnung 15, die mit einer dazu passenden 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 wirken­ den 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 darge­ stellt ist, auf die Kolbenfläche 17 und verschiebt auf diese Weise den Kolben 9 aus der Zylinderbohrung 13. Die in den Kolben 9 eingeleitete 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 wirken­ de Druck durch die Lage hinsichtlich der Druckseiten bestimmt. In Fig. 2 ist die Ventilplatte durch eine gedachte im wesentlichen 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 Symmetrieachse 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 Dar­ stellung gezeigt. Der in Umfangsrichtung etwa auf der Druckseite p1 herr­ schende konstante Druck wird durch jeweilige Druckflanken 15a, 15b be­ grenzt. Der Verdrillungswinkel bestimmt die Lage der Druckseiten, wobei die exakte Lage der Druckflanken 15a, 15b noch durch dynamische Effekte und die Art der Geometrie der Steueröffnungen 16a, 16b, 17a, 17b über­ lagert 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 Betriebsbedingungen eine sowohl hinsichtlich der Größe als auch hinsichtlich der Lage variierende Summenkraft. Diese Summenkraft weist zum einen einen mit der Kolben­ frequenz 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 Summen­ kraftvektors 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 Schwenkscheibe 4 auf einfache Weise geschwenkt werden. Druckmittelaggregate mit varia­ blem Hubvolumen sind deshalb in einfacher Konstruktion, kostengünstig und mit reduzierten Verstellzeiten ausbildbar.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus die Drehachse B der Schwenkscheibe 4 geometrisch fest um einen Betrag von der Dreh­ achse 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 Wirkungslinie des Summen­ kraftvektors 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 Ventilplatte 12 verdreht werden kann. Die Ventilplatte 12 ist auf dem Außenumfang 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 Anordnung der Druckleitungsanschlüsse für die einzelnen Zylinder 13 entspricht und die im wesentlichen länglich und mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind, gegenüber den Druckleitungsanschlüssen verdrehbar.

Claims (3)

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, wobei eine Ventilplatte (12) mit Steuer­ öffnungen (16a, b; 17a, b) vorgesehen ist, und die Ventilplatte (12) während des Betriebes des Druckmittelaggregates um eine Achse (A) des Zylinderblockes (5) zur Einstellung einer gewünschten Winkel­ position der Schwenkscheibe (4) verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (12) mit einem Schwenkmotor (18) mit einem Exzenter (19) verdrehbar ist.

2. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (12) auf einer im Gehäuse aufgenommenen Lager­ buchse (7) zentriert ist.

3. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1 oder 2, 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.