DE19513767A1 - Verstellbare, hydrostatische Radialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydrostatischen Radialkolbenmaschine mit verstellbarem Hubring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Maschine ist allgemein bekannt. Sie wird in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen der Hydraulik benutzt, da es durch ihren Einsatz möglich ist den Aufwand an Steuer- und/oder Regelventilen zu verringern. Hauptvorteile bei Antrieben mit derartigen Radialkolbenmaschinen ist neben der Einfachheit der Bauweise deren Verlustarmut, sowie die schnelle und präzise elektrische Ansteuerbarkeit der Maschine. Zur Ansteuerung werden in das Maschinengehäuse integrierte, druckbeaufschlagte Verstellkolben verwendet, die auf den äußeren Umfang des Hubrings entlang dessen Verstellrichtung einwirken. Die Exzentrizität des Hubrings, welche proportional zur Fördermenge der Maschine ist, läßt sich als Regelgröße verwenden und wird von einem induktiven Wegaufnehmer erfaßt. Dieser Istwert wird von einem elektronischen Regelverstärker mit einem Führungswert verglichen und dient zur Lageregelung des Hubrings. In manchen Anwendungsfällen ist es nun ungünstig, daß sich die induktive Wegmeßeinrichtung nicht anders als in Verlängerung der Verstellkolben anordnen läßt, wodurch sich die Maschine in ihrer bereits größten Abmessung weiter vergrößert. Da die Wegmeßeinrichtung ein zusätzliches Anbauteil darstellt erhöht sich zudem der Bauaufwand der Maschine.

Ferner ist nach DE 35 13 736 A1 eine hydrostatische Radialkolbenpumpe mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung der Exzentrizität eines drehbar gelagerten Exzenterrings bekannt. Ein hydraulisches Gestänge überträgt dabei die von der Exzentrizität des Exzenterrings abhängige Auslenkung eines Geberstößels, welcher sich auf der Innenseite des Exzenterrings abstützt, auf einen Nehmerstößel. Dieser ist mit einem Spulenkern versehen, welcher entsprechend der vorhandenen Exzentrizität am Exzenterring unterschiedlich tief in eine Meßspule eintaucht und dort ein Meßsignal auslöst. Diese Meßeinrichtung weist eine Vielzahl von mechanischen Bauteilen auf und erfordert einen hohen Aufwand für die hydraulische Kopplung; dabei muß die Signalabnahme in einer rotierenden Maschinenwelle erfolgen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße, elektrohydraulisch verstellbare Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die eingesetzten Mittel aus kostengünstigen Meßeinrichtungen bestehen, die in ohnedies vorhandene Bauteile der Maschine integriert sind oder die diese Bauteile selbst als Meßwertgeber nutzen. Das Bauvolumen und der Bauaufwand der Maschine vergrößern sich dadurch nicht.

Weiterhin vorteilhaft ist es, daß ein digitales Meßsignal vorliegt, das von einer elektronischen Schaltung sowohl zur Bestimmung der Exzentrizität des Hubrings als auch zur Drehzahlbestimmung des Rotors und ggf. für zusätzliche Funktionen, wie z. B. zur Geräuschdämpfung der Maschine benutzt werden kann.

Wird ein zusätzlicher Meßwertaufnehmer entlang der von der Verstelleinrichtung vorgegebenen Richtung angeordnet, so erzeugt er ein von der Exzentrizität des Hubrings unabhängiges und daher als Bezugsmarke geeignetes Signal; wird zusätzlich der andere Meßwertaufnehmer in einer Position angebracht in der die Relativbewegung zwischen Arbeitskolben und Gleitschuh ein Maximum annimmt, so bietet diese Anordnung der Meßwertaufnehmer neben einer besonders exakten Auflösung den Vorteil, daß Drehzahlschwankungen des Rotors erfaßt werden können, wodurch sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Exzentrizität des Hubrings in der Auswerteschaltung leichter beseitigen lassen.

Vorteilhaft ist es auch, die Meßwertaufnehmer im Hubring anzubringen, weil dadurch eine relativ einfache Bauweise gefördert wird. Für eine einfache Signalweiterleitung empfiehlt es sich dagegen, mindestens den zur Verstellrichtung senkrecht angeordneten Meßwertaufnehmer gehäuseseitig anzubringen.

Weiterhin erwähnenswert ist, daß sich die Meßeinrichtungen durch eine hohe, dem Anwendungsfall anpaßbare Flexibilität auszeichnen. Ist eine hohe Auflösung gefragt, so läßt sich die Anzahl der mit Marken bestückten Gleitschuhe erhöhen und/oder die Anzahl der Marken pro Gleitschuh kann erhöht werden.

Günstig ist ferner, daß die Meßeinrichtungen berührungslos arbeiten und deshalb weder Reibung noch Verschleiß unterliegen, was einen langlebigen, wartungsarmen Betrieb gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Radialkolbenmaschine im Querschnitt, in vereinfachter Darstellung und Fig. 2 ein Diagramm der Signale der beiden Meßwertaufnehmer in Abhängigkeit der Zeit bzw. des Verdrehwinkels des Rotors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Radialkolbenmaschine 10 deren Gehäuse 11 durch einen nicht dargestellten Deckel verschlossen ist. Im Gehäuse 11 ist eine nach außen abgedichtete, im wesentlichen zylindrische Ausnehmung 12 ausgebildet, in die zentrisch ein im Gehäuse ortsfest gelagerter Steuerzapfen 13 hineinragt. Auf diesem Teil des Steuerzapfens 13 ist ein Rotor 14 drehbar gelagert, in dem mehrere radial verlaufende Bohrungen 15 Zylinder bilden, in denen Arbeitskolben 16 gleiten. Diese Arbeitskolben 16 sind gelenkig mit Gleitschuhen 17 verbunden, die aus den Bohrungen 15 des Rotors heraus ragen und die mittels nicht näher dargestellten Halteringen beweglich an einen zylindrischen Hubring 18 gefesselt sind. Die Innenfläche des Hubrings 18 bildet dabei die Lauffläche für diese Gleitschuhe 17. Der Hubring 18 wird von zwei im Gehäuse angeordneten, hydraulischen Verstellkolben 19 u. 20, welche sich diametral gegenüberliegen und eine Verstelleinrichtung bilden, in seiner Lage fixiert. Die Position des Hubrings 18 ist innerhalb der Ausnehmung 12, entlang der von den Verstellkolben 19 u. 20 vorgegebenen Richtung, variabel. Parallel zur Verstellrichtung angebrachte Abflachungen am äußeren Umfang des Hubrings 23 und am Gehäuse 24 dienen als Führung bei der Verschiebung des Hubrings 18 in Verstellrichtung und sichern diesen gleichzeitig gegen Verdrehen. Im Steuerzapfen 13 sind in der Höhe des Rotors 14, in Fig. 1 nicht erkennbare Steuerschlitze ausgebildet, die über ebenfalls im Steuerzapfen 13 angebrachte Längskanäle 21 und Durchbrüche mit radial im Gehäuse verlaufenden, nach außen dringenden Kanälen verbunden sind. Diese Kanäle stellen Saug- und Druckkanäle dar und führen das Hydraulikmedium in die Maschine hinein bzw. unter Druck wieder heraus. Die Winkellage des Rotors 14 auf dem Steuerzapfen 13 ist so ausgeführt, daß die zwischen den Steuerschlitzen im Steuerzapfen 13 gelegenen Stege in einem Bereich liegen, in dem sich die Arbeitskolben 16 in ihren Totpunkten befinden. Der Rotor 14 wird über eine nicht näher dargestellte Kupplung von einer im Deckel gelagerten, ebenfalls nicht dargestellten, Triebwelle in Drehbewegung versetzt.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Radialkolbenmaschine 10 zur Erfassung der Exzentrizität 22 des als Verstellorgan dienenden Hubrings 18 Mittel auf, die aber zwei Meßeinrichtungen im Hubring 18 und in den Gleitschuhen 17 verfügen.

Diese beiden Meßeinrichtungen sind gemäß Fig. 1 derart ausgebildet, daß ein erster Gleitschuh 25 und ein zweiter Gleitschuh 26 mit gleichartigen Meßwertgebern 27 u. 28 ausgerüstet sind. Zwei, diesen Meßwertgebern zugeordnete, Meßwertaufnehmer 29 u. 30 befinden sich im Hubring 18. Der erste Meßwertaufnehmer 29 ist in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Verstellrichtung verläuft und in der sich auch die Längsachse 33 des Steuerzapfens befindet. Hier nimmt die Relativbewegung zwischen Arbeitskolben 16 und Gleitschuh 17 ein Maximum an. Der zweite Meßwertaufnehmer 30 befindet sich in Richtung der Verstellrichtung, wo zwischen Gleitschuh 17 und Arbeitskolben 16 keine Relativbewegungen stattfinden. Der Zeitpunkt der Signalauslösung ist hier lediglich von der Drehzahl des Rotors 14 abhängig, nicht jedoch von der Exzentrizität 22 des Hubrings 18. Dieses Signal eignet sich daher besonders als Bezugsmarke aber auch zur exakten Bestimmung der Rotordrehzahl.

Beide Meßwertaufnehmer 29 u. 30 sind mit einer elektronischen Auswerteschaltung 34 verbunden, wie dies in Fig. 1 vereinfacht dargestellt ist.

Die Wirkungsweise der verstellbaren Radialkolbenmaschine 10 wird im Folgenden erläutert, wobei deren grundsätzliche Funktion in Zusammenhang mit einer hydromechanischen Verstelleinrichtung als an sich bekannt vorausgesetzt wird.

Bei der in Fig. 1 als linksdrehend dargestellten Radialkolbenmaschine 10 ist über die Verstelleinrichtungen 19 u. 20 der Hubring 18 maximal nach links ausgestellt, wodurch sich eine exzentrische Lage von Hubring 18 zu Rotor 14 ergibt.

Die eingangs erwähnte Fesselung der Gleitschuhe 17 an den Hubring 18 in Verbindung mit dessen exzentrischer Lage zum Rotor 14 zwingt den, über die Gleitschuhe 17 gelenkig verbunden Arbeitskolben 16 im Rotor 14, bei dessen Drehbewegung, eine Hubbewegung in radialer Richtung auf. Je nachdem, ob die Hubbewegung der Arbeitskolben 16 nach außen oder nach innen gerichtet ist, d. h. je nachdem, ob der zwischen Hubring 18 und Rotor 14 vorhandene Spalt sich im Verlauf der weiteren Rotorumdrehung vergrößert oder verkleinert, führt der Gleitschuh 17 eine Kippbewegung 36 um die Achse seines Arbeitskolbens 16 in Drehrichtung oder eine Kippbewegung 37 entgegen der Drehrichtung des Rotors 14 aus. Diese Relativbewegung zwischen Arbeitskolben 16 und Gleitschuh 17 variiert während einer Rotorumdrehung zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Wenn sich die Kolbenachse mit der durch die beiden Verstelleinrichtungen verlaufenden Achse deckt, was pro Rotorumdrehung für jeden Arbeitskolben 16 zweimal der Fall ist, findet keine derartige Relativbewegung statt; es kommt allerdings bei Erreichen dieser Nullage zu einer Richtungsumkehr der Relativbewegung.

Der Maximalwert dieser kippenden Relativbewegung zwischen Arbeitskolben 16 und Gleitschuh 17 verhält sich proportional zur Exzentrizität des Hubrings und wird bei senkrecht zur Verstellrichtung stehender Kolbenachse erreicht. Dieser bei Radialkolbenmaschinen mit Gleitschuhen vorhandene kinematische Effekt wird nun zur Erfassung der Exzentrizität 22 des Hubrings 18 ausgenutzt, wie dies anhand von Fig. 2 erläutert wird.

Der Meßwertgeber des zweiten Gleitschuhs 28 hat am zweiten Meßwertaufnehmer 30 einen Spannungsimpuls 41 ausgelöst. Geht man nun davon aus, daß zwischen Hubring 18 und Rotor 14, entgegen der Darstellung nach Fig. 1, keine Exzentrizität 22 vorhanden ist, so löst der Meßwertgeber des ersten Gleitschuhs 27 am ersten Meßwertaufnehmer 29 mit einem gewissen Zeitverzug einen Spannungsimpuls 42 aus. Die elektronische Auswerteschaltung 34 erfaßt diesen Zeitverzug in der Form, daß durch den Spannungsimpuls 41 eine hochfrequente, elektronische Zähleinrichtung gestartet wird, die vom Spannungsimpuls 42 wieder gestoppt wird. Die Zählfrequenz ist dabei so gewählt, daß das Zählergebnis der vorhandenen Exzentrizität zwischen Hubring und Rotor entspricht; im beschriebenen Fall muß das Ergebnis demnach Nullauten.

Wird nun der Hubring 18, gemäß Fig. 1, maximal nach links verschoben, so erfolgt die dadurch erzeugte Kippbewegung des Gleitschuhs 25 in Richtung der Laufrichtung des Rotors 14. Der Spannungsimpuls 41, ausgelöst durch den Meßwertgeber 28, erfolgt zeitlich genau wie vorher, der Spannungsimpuls 42.1 wird jedoch durch die entstandene Voreilung des Gleitschuhs 25 auf der Zeitachse früher ausgelöst. Der geringere Zeitverzug zwischen den Signalen 41 und 42.1 führt dazu, daß die von den Spannungsimpulsen gestartet und gestoppte Zähleinrichtung nur einen kleineren Wert erreicht, welcher der vorliegenden Exzentrizität des Hubrings 18 entspricht. Erfolgt, entgegen der in Fig. 1 dargestellten Ausführung, die Verschiebung des Hubrings 18 jedoch nach rechts, so kippt der Gleitschuh 25 entgegengesetzt zur Laufrichtung des Rotors 14 und der Spannungsimpuls 42.2, welcher die Stoppbedingung für die Zähleinrichtung in sich trägt, erfolgt zeitlich später. Das zugehörige Zählergebnis fällt entsprechend höher aus.

Somit läßt sich die Exzentrizität 22 über den gesamten Verstellbereich des Hubrings 18 stetig ermitteln.

Zur Drehzahlerfassung werden die Meßsignale des von der Exzentrizität unabhängig angeordneten Meßwertaufnehmers 30 benutzt. Die Auswerteschaltung erfaßt dazu die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßsignalen und setzt diese in Bezug auf den dabei vom Rotor 14 überschrittenen Drehwinkel. Über die Drehzahl des Rotors 14 und die vorliegende Exzentrizität am Hubring 18 läßt sich der Volumenstrom der Maschine ermitteln.

Bei einer derartigen Meßeinrichtung hängt das Abtastintervall zwischen zwei Signalen von der Drehzahl des Rotors 14 und der Anzahl der Gleitschuhe/Kolben im Rotor 14, welche mit Meßwertgebern bzw. Marken zur Signalbildung ausgestattet sind, ab. Bei einer üblichen Industriedrehzahl von 1500 1/min und bei sieben Kolben läßt sich beispielsweise ein Abtastintervall von ca. 5,7 ms darstellen. In vielen Fällen reicht dieses aus, ist jedoch für eine schnelle Regelung eine kleinere Abtastzeit erforderlich, so können die Gleitschuhe zur Erhöhung der Auflösung mit mehreren Marken als Meßwertgeber ausgestattet werden.

Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Ausführungsform möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann zum Beispiel die Anzahl der Kolben bzw. Gleitschuhe auch größer oder kleiner als bei der dargestellten Ausführungsform sein. Selbstverständlich können anstelle der Gleitschuhe 25 und 26 auch die anderen Gleitschuhe zur Signalgewinnung herangezogen werden. Ebenso ist es vorstellbar die Gleitschuhkanten selbst, d. h. ohne zusätzliche Marken, zur Signalauslösung heranzuziehen.

Weiterhin eignen sich für das berührungslose Wirkungsprinzip der Meßeinrichtung verschiedene Verfahren, wobei ein induktives, ein optoelektronisches oder ein magnetisches Wirkungsprinzip vorteilhaft ist.

Claims (10)

1. Verstellbare, hydrostatische Radialkolbenmaschine (10) mit einem Gehäuse (11), in dem ein drehbar gelagerter Rotor (14) angeordnet ist, der mit einer Antriebswelle zusammenwirkt und der in radial angeordneten Bohrungen (15) Arbeitskolben (16) führt, deren aus den Bohrungen ragende Enden mit am Kolben gelenkig gelagerten Gleitschuhen (17) ausgestattet sind, welche sich an der Innenseite eines Hubrings (18) abstützen, der über eine Einrichtung relativ zum Rotor (14) exzentrisch verstellbar ist, wobei diese Einrichtung über mindestens ein Stellglied (19, 20) verfügt, das auf den Außenumfang des Hubrings (18) entlang dessen Verstellrichtung einwirkt und mit Mitteln zur Erfassung der Exzentrizität des Hubrings (18), dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Meßeinrichtungen aufweisen, welche die Exzentrizität (22) des Hubrings (18) aus einer Relativbewegung ableiten, die die Gleitschuhe (17) bei einer Umdrehung des Rotors (14) relativ zu ihren Arbeitskolben (16), in oder gegen die Drehrichtung des Rotors (14) ausführen.

2. Radialkolbenmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mindestens einen Meßwertaufnehmer (29) aufweist, der in einem quer zur Verstellrichtung liegenden Bereich liegt, in dem die Relativbewegung zwischen Gleitschuh (17) und Arbeitskolben (16) möglichst groß ist.

3. Radialkolbenmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (29) in einer senkrecht zur Verstellrichtung verlaufenden Ebene liegt, in der auch die Längsachse (14) des Rotors liegt.

4. Radialkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Meßwertaufnehmer (30) vorgesehen ist, der im wesentlichen in der von den Verstelleinrichtungen (19 und 20) gebildeten Richtung liegt.

5. Radialkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßwertaufnehmer (29, 30) im Hubring (18) angeordnet ist.

6. Radialkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßwertaufnehmer (29, 30) gehäusefest angeordnet ist.

7. Radialkolbenmaschine (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertgeber mindestens ein Gleitschuh (17) vorgesehen ist.

8. Radialkolbenmaschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gleitschuh (17) mindestens eine, insbesondere mehrere Markierungen aufweist.

9. Radialkolbenmaschine (10) nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung nach einem berührungslos arbeitenden Wirkungsprinzip arbeitet.

10. Radialkolbenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5, 7, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (18) im Gehäuse (11) gegen Verdrehung gesichert angeordnet ist, wozu Gleitflächen (23, 24) an Hubring (18) und an Gehäuse (11) ausgebildet sind, die insbesondere parallel zur Verstellrichtung verlaufen.