Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Pulsationsverminderung an einer,
insbesondere als Axialkolbenmaschine oder Radialkolbenmaschine ausgebildeten
hydrostatischen Verdrängereinheit, die sowohl als Pumpe als auch als Motor mit
jeweils umkehrbarer Drehrichtung einsetzbar ist, wobei mindestens ein Kolben in einer
Zylinderbohrung längsverschieblich gelagert ist und einen Zylinderraum bildet und
wobei die Vorrichtung ein Speicherelement aufweist, das über einen Verbindungskanal
mit dem Zylinderraum in Verbindung bringbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Pulsationsminderung an einer,
insbesondere als Axialkolbenmaschine oder Radialkolbenmaschine ausgebildeten
hydrostatische Verdrängereinheit, die sowohl als Pumpe als auch als Motor mit jeweils
umkehrbarer Drehrichtung einsetzbar ist, wobei mindestens ein Kolben in einer
Zylinderbohrung längsverschieblich gelagert ist und einen Zylinderraum bildet und
wobei die Vorrichtung eine zwischen einer Niederdruck- und einer Hochdruckseite
angeordnete, mit einem in Richtung zur Hochdruckseite öffnenden Ventil versehene
Vorkompressionseinrichtung aufweist, die eine Verbindung des Zylinderraums mit der
Hochdruckseite herstellt, sobald der Druck im Zylinderraum den Druck an der
Hochdruckseite übersteigt.
Hydrostatische Verdrängereinheiten dieser Art weisen in der Regel mehrere
Zylinderräume auf und liefern einen nicht konstanten, pulsierenden Volumenstrom.
Eine der Ursachen dieser Pulsationen im Volumenstrom der Verdrängereinheit ist auf
die kinematische Bedingungen zurückzuführen. Bei derartigen Maschinen wird das
Druckfluid durch mehrere Kolben, die in Zylindern längsverschiebbar sind und nach
dem Verdrängerprinzip arbeiten, von der den Niederdruck führenden Einlaßseite auf
die den Hochdruck führende Auslaßseite gefördert. Durch die Überlagerung der
Einzelvolumenströme zum Gesamtvolumenstrom der Verdrängereinheit ergibt sich
eine Pulsation im Förderstrom. Diese Art der Pulsation wird als kinematische Pulsation
bezeichnet.
Eine weitere Ursache für die Entstehung von Pulsationen ist die kinetische Pulsation,
die durch die Kompressibilität des zu fördernden Mediums entsteht und die vor allem
bei hohen Druckunterschieden zwischen der Einlaß- und der Auslaßseite auftritt. Diese
Art der Pulsation beruht auf Druckausgleichströmen, die während der
Umsteuervorgänge der Zylinderräume von der Einlaß- auf die Auslaßseite auftreten.
Bewegt sich beispielsweise ein Zylinderraum einer rotierenden Zylindertrommel von
der unter Niederdruck stehenden Einlaßseite auf die unter Hochdruck stehende
Auslaßseite, durchläuft der Zylinderraum an dem entsprechenden Totpunkt der
Bewegung des Kolbens einen Bereich, in dem der Zylinderraum kurzzeitig ohne
Verbindung zur Niederdruck- und zur Hochdruckseite steht. Bei der darauffolgenden
Verbindung des Zylinderraums mit der Hochdruckseite treten aufgrund des zwischen
dem Zylinderraum und der Hochdruckseite anstehenden Druckunterschieds
Volumenströme auf. Bei der weiteren Bewegung der Zylinderräume durchläuft der
Zylinderraum ebenfalls einen Bereich, in dem der Zylinderraum ohne Verbindung zur
Hochdruck- und Niederdruckseite steht. Bei der Umsteuerung in die Niederdruckseite
treten somit ebenfalls hohe Druckunterschiede auf. Hierdurch entstehen Pulsationen,
die zu Vibrationen und zu Geräuschen an der Verdrängereinheit führen.
Zur Minderung der Pulsation sind Maßnahmen bekannt, die zum einen eine
Anpassung des Druckes in den Zylinderräumen an den Druck an einer mit Hochdruck
beaufschlagten Auslaßseite durch die Kinematik des Kolbens vorsehen. Die
Anpassung des Druckes kann beispielsweise durch eine Vorkompression des
Zylinderraums erzielt werden. Hierzu ist zwischen der Einlaßseite und der Auslaßseite
eine Vorkompressionseinrichtung angeordnet, wobei der Druck des in den
Zylinderräumen eingeschlossene Druckfluids durch den Kolbenhub erhöht wird, bevor
der Zylinderraum in Verbindung mit der Auslaßseite gelangt.
Eine derartige hydraulische Axialkolbenmaschine ist aus der DE 33 19 822 bekannt.
Die Pumpe weist einen Niederdruck-Einlaßseite und eine Hochdruck-Auslaßseite auf,
wobei zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckseite eine Vorkompressionszone
angeordnet ist. In dieser Vorkompressionszone ist ein Verbindungskanal vorgesehen,
der eine Verbindung der Zylinderräume mit der Auslaßseite herstellt. In diesem
Verbindungskanal ist ein Ventil angeordnet, das in Richtung zur Auslaßseite hin öffnet
und verhindert, daß der Druck in den Zylinderräumen durch die Vorkompression auf
unzulässig hohe Werte ansteigt und somit die Maschine beschädigt oder zerstört wird.
Bei einer Bewegung der Zylindertrommel von der Einlaß- zur Auslaßseite durchläuft
der Zylinderraum die Vorkompressionszone, wodurch der Druck im Zylinderraum durch
den Kolbenhub erhöht wird. Sobald der Zylinderraum die Öffnung zu dem
Verbindungskanal freigibt, strömt Fluid über den Verbindungskanal und das Ventil in
die Auslaßseite, falls der Druck in dem Zylinderraum den Druck an der Auslaßseite
übersteigt. Der Druck in den Zylindern wird somit auf den am Auslaß anstehenden
Druck begrenzt. Bei einer weiteren Bewegung wird der Zylinderraum zur Auslaßseite
hin geöffnet.
Das Ventil öffnet hierbei, sobald der durch die Vorkompression in den Zylinderräumen
anstehende Druck dem Druck der Auslaßseite entspricht. Bei Verdrängereinheiten mit
verstellbarem Hubvolumen, die gegen verschieden hohe Drücke an der
Hochdruckseite arbeiten, muß die Vorkompressionszone derartig ausgebildet sein
daß eine Druckerhöhung bis auf den maximalen Betriebsdruck der Maschine
ermöglicht wird. Die Vorkompressionszone zwischen der Einlaß- und der Auslaßseite
muß hierzu eine entsprechende Länge aufweisen, um die Vorkompression auf den
maximalen Betriebsdruck zu ermöglichen.
Steht an der Auslaßseite ein nur geringer Druck an, entstehen durch die
Vorkompression der Zylinderräume Verluste, wodurch die hydrostatische
Verdrängereinehit mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet.
Zudem kann nur ein Druckausgleich zwischen den Zylinderräumen und der
Hochdruckseite hergestellt werden, falls der Druck durch die Vorkompression in den
Zylinderräumen den Druck an der Hochdruckseite übersteigt und somit das Ventil
öffnet.
Zur Minderung der Pulsation ist als weitere Maßnahme bekannt, ein Speicherelement
vorzusehen, das eine Angleichung des Druckes in den Zylinderräumen an den Druck
der Hochdruckseite bewirkt.
Eine hydrostatische Maschine in Axialkolbenbauweise mit einer derartigen
Speicherumsteuerung ist aus der DE 42 29 544 bekannt. An der Maschine ist ein
Speicherelement in Form eines ölgefüllten Vorkompressionsvolumen vorgesehen, das
mit dem Zylinderraum nach dem Durchlaufen des Totpunktes durch einen
Verbindungskanal und eine Öffnung im Steuerspiegel in Verbindung gebracht wird.
Dem Vorkompressionsvolumen wird hierbei Kompressionsöl entnommen, wodurch der
Druck im Zylinder ansteigt. Die Befüllung des Vorkompressionsvolumens erfolgt durch
eine mit der Hochdruckseite der Maschine in Verbindung stehende Leitung.
Die Speisung des Vorkompressionsvolumens erfolgt durch eine ständige Verbindung
des Volumens mit der Auslaßseite der Maschine. Bewegt sich ein Zylinderraum von
der Einlaß- zur Auslaßseite und ist die Einlaßseite mit Niederdruck und die Auslaßseite
mit Hochdruck beaufschlagt, wird dem Vorkompressionsvolumen Kompressionsöl
entnommen, sobald der Zylinderraum die Öffnung im Steuerspiegel freilegt. Durch
diese Maßnahme wird der Druck in den Zylinderräumen an den Druck der Auslaßseite
angeglichen, wodurch geringere Volumenströme zum Angleich des noch vorhandenen,
geringfügigen Druckunterschieds bei der Verbindung der Zylinderräume mit der
Auslaßseite entstehen. Bei dieser Maßnahme ist allerdings zur Verbindung der
Zylinderräume mit dem Vorkompressionsvolumen jeweils eine speziell ausgebildete
Zylinderniere erforderlich, die es ermöglicht, daß das Kompressionsöl schnell vom
Vorkompressionsvolumen in den Zylinderraum fließt.
Weiterhin ist bekannt, die Wiederaufladung des Vorkompressionsvolumens in der Zeit
durchzuführen, in der der Zylinderraum in Verbindung mit der Hochdruckseite steht.
Zum Befüllen des Vorkompressionsvolumens wird somit nur eine zeitweise Verbindung
mit der Hochdruckseite hergestellt. Hierzu ist eine speziell geformte Zylinderniere
erforderlich. Diese Zylinderniere stellt während der Verbindung des Zylinderraumes mit
dem Vorkompressionsvolumen zunächst eine kurzzeitige Verbindung des
Zylinderraum mit dem Vorkompressionsvolumen her. Während dieser Zeit wird der
Druck im Zylinder erhöht. Daraufhin wird die Verbindung getrennt. In einer weiteren
Phase wird ein zunehmend größer werdender Querschnitt gebildet, der ein Befüllen
des Vorkompressionsvolumens ermöglicht, sobald der Zylinder mit der Hochdruckseite
in Verbindung steht.
Bei diesen Maßnahmen mit einer Speicherumsteuerung wird der Zylinderraum nur
kurzzeitig mit dem Vorkompressionsvolumen in Verbindung gebracht. Für den
erforderliche Druckausgleich steht somit nur eine kurze Zeitspanne zur Verfügung. Die
Steuerung der Zeit, während der der Zylinderraum mit dem Volumen über den
Verbindungskanal in Verbindung steht, erfolgt durch die Geometrie der
Verbindungsleitung und der Zylinderniere. Als optimale Öffnungszeit ist hierbei die Zeit
anzusehen, in der ein Druckausgleich zwischen dem Zylinderraum und dem
Vorkompressionsvolumen erfolgen kann. Diese Öffnungszeit ist jedoch von den
Betriebsparametern, beispielsweise der Drehzahl, dem Betriebsdruck und der
Verdrängungsstellung abhängig. Die Öffnungszeit bei diesen Maßnahmen ist
allerdings durch die Geometrie der Bauteile festgelegt, wodurch nicht für alle
Betriebszustände eine wirksame Pulsationsminderung erzielt wird.
Ein weiterer Nachteil dieser Maßnahmen besteht darin, daß für eine wirksame
Pulsationsminderung ein entsprechend groß dimensioniertes
Vorkompressionsvolumen vorzusehen ist, um eine wirksame Pulsationsminderung zu
erzielen. Dies erfordert jedoch einen entsprechend großen Bauraum für das
Vorkompressionsvolumen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der
Technik bekannten Maßnahmen in der Art und Weise weiterzuentwickeln, daß die
Umsteuervorgänge der Zylinderräume von der Einlaß- auf die Auslaßseite weiter
optimiert werden und die Pulsationen in einer weiten Bandbreite von
Betriebszuständen wirksam minimiert werden.
Diese Aufgabe wird bei Verdrängereinheiten mit einer Speicherumsteuerung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kapazität des Speicherelements gegenüber
einem ölgefüllten Speicherelement erhöht und/oder mindestens ein weiterer
Verbindungskanal vorgesehen ist, der die Zylinderräume mit dem Speicherelement
oder mit einer Steuerniere der Verdrängereinheit verbindet, wobei in dem weiteren
Verbindungskanal eine drosselnde Einrichtung angeordnet ist.
Die pulsationsmindernde Wirkung eines Speicherelements nimmt mit der Größe der
Kapazität des Speicherelements zu. Um die Pulsation wirksam zu vermindern, wäre
somit nötig, das Speicherelement mit einem entsprechend großen Ölvolumen
auszustatten. Dadurch entsteht jedoch ein erheblicher Platzbedarf für das
Speicherelement an der Verdrängereinheit.
Die Kapazität eines Speicherelement ist abhängig von dem Volumen und dem
Kompressionsmodul der eingeschlossenen Medien. Durch eine Veränderung des
Kompressionsmoduls kann somit die Kapazität des Speicherelement erhöht werden.
Hierdurch ist es einerseits möglich, bei gleicher dämpfender und somit
pulsationsmindernder Wirkung den Bauraum des erfindungsgemäßen
Speicherelements gegenüber einem ölgefüllten Speicherelement zu reduzieren.
Andererseits wird bei einem gleich großen Bauraum durch eine Erhöhungung der
Kapazität eine verbesserte Pulsationsminderung erreicht.
Weiterhin hat sich in Versuchen gezeigt, daß die Umsteuervorgänge verbessert
werden können und somit die Pulsation gemindert werden kann, wenn mindestens ein
weiterer Verbindungskanal vorgesehen ist, der den Zylinderraum mit dem
Speicherelement verbindet und in dem eine drosselnde Einrichtung angeordnet ist.
Durch das Umsteuern bei einer als Pumpe arbeitenden Verdrängereinheit von der mit
Niederdruck beaufschlagten Einlaß- auf die den Hochdruck führende Auslaßseite über
mehrere Verbindungskanäle ist es möglich, den Zeitraum, der für den Druckausgleich
zwischen dem Zylinderraum und dem Speicherelement zur Verfügung steht, zu
vergrößern, so daß eine wirksame Pulsationsdämpfung in einer weiten Bandbreite von
Betriebsparametern ermöglicht wird. Das Wiederbefüllen des Speicherelements kann
hierbei durch mehrere drosselnde Verbindungskanäle erfolgen. Dadurch wird ebenfalls
der Zeitraum zum Füllen des Speicherelements vergrößert. Bei hohen
Relativgeschwindigkeiten des Zylinderraums zwischen der Einlaß- und der Auslaßseite
wird somit ein Druckangleich des Speicherelements mit den Zylinderräumen und ein
ausreichend es Befüllen des Speicherelements ermöglicht. Durch geeignete Wahl der
drosselnden Einrichtungen in den Verbindungskanälen kann hierbei das Füllverhalten
des Speicherelements variiert werden, um beispielsweise ein sehr langsam es Befüllen
des Speicherelements zu ermöglichen. Weiterhin kann das Umsteuerverhalten bei
einer Pumpe, die ebenfalls als Motor arbeitet, wobei die Einlaßseite mit Hochdruck und
die Auslaßseite mit Niederdruck beaufschlagt ist, verbessert werden. Das im
Pumpenbetrieb mit der Auslaßseite in Verbindung stehende Speicherelement nimmt in
dieser Betriebsart Kompressionsöl vom Zylinderraum auf. Durch die weitere Bewegung
in Richtung der Auslaßseite nimmt im Motorbetrieb der Druck im Zylinderraum weiter
ab, so daß ebenfalls eine Verbesserung der Umsteuervorgänge von der Hochdruck
auf die Niederdruckseite erzielbar ist. Das Speicherelement des Pumpenbetriebs kann
somit ebenfalls das Umsteuerverhalten im Motorbetrieb verbessern.
Darüberhinaus hat sich gezeigt, daß das Geräuschverhalten einer hydraulischen
Verdrängereinehit verbessert werden kann, wenn ein weiterer Verbindungskanal
vorgesehen ist, der den Zylinderraum mit einer Steuerniere der Verdrängereinheit
verbindet. Bei einer Verdrängereinheit, beispielsweise einer Pumpe, die ein mit der
Auslaßsteuerniere in Verbindung stehend es Speicherelement aufweist, können durch
einen weiteren Verbindungskanal im Steuerspiegel, der ebenfalls mit der
Auslaßsteuerniere in Verbindung steht, die beim Umsteuern auftretenden Pulsationen
vermindert werden. Durch eine geeignete Anordnung der Öffnung des zusätzlichen
Verbindungskanals im Steuerspiegel der Verdrängereinheit ist es möglich, die
kinetische Pulsation derart mit der kinematischen Pulsation zu überlagern, daß eine
Glättung der sich aus dem kinematischen und dem kinetischen Anteil
zusammengesetzten Pulsation erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Speicherelement
als hydropneumatischer Speicher ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es, den
hydropneumatischen Speicher als Gasspeicher mit einer das Ölvolumen vom
Gasvolumen trennenden Membran auszugestalten.
Durch die Verwendung eines hydropneumatischen Speichers wird die Kapazität des
Speicherelements gegenüber einem ölgefüllten Speicherelement erhöht. Es ist somit
möglich, in einem vorgegebene Bauraum ein Speicherelement mit einer größeren
Kapazität anzuordnen oder den Bauraum gegenüber einem rein ölgefüllten
Speicherelement zu verringern, wobei die gleiche Kapazität des Speicherelements und
somit die gleiche pulstionsmindernde Wirkung zur Verfügung steht.
Weiterhin ist es möglich, die Kapazität des Speicherelement zu erhöhen, indem das
Speicherelement einen ölgefüllten Raum mit einer nachgiebigen Umwandung aufweist.
Eine weitere Erhöhung der Kapazität wird hierbei erreicht, wenn die nachgiebige
Umwandung des Speicherelements unter einer Gasvorspannung steht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Speicherelement
einen ölgefüllten Raum aufweist und in dem Raum nachgiebige Elemente,
insbesondere Kunststoffelemente eingelegt sind. Durch diese Anordnung ist ebenfalls
eine Erhöhung der Kapazität des Speicherelement möglich, wodurch sich eine
verbesserte Pulsationsminderung ergibt.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird bei Verdrängereinheiten mit einer
Vorkompressionseinrichtung und einem in Richtung zur Hochdruckseite öffnenden
Ventil, das eine Verbindung der Zylinderräume mit der Hochdruckseite herstellt,
erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in dem Verbindungskanal eine drosselnde
Einrichtung parallel zu dem Ventil angeordnet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt hierbei die Verbindung des Zylinderraums mit der
Hochdruckseite zum einen über das Ventil und zum anderen über die drosselnde
Einrichtung. Es wird somit ermöglicht, daß Druckmittel vom Zylinderraum in die
Hochdruckseite über das Rückschlagventil und über die drosselnde Einrichtung fließt.
Im Pumpenbetrieb der Verdrängereinheit ist dadurch eine Anpassung des Druckes in
den Zylinderräumen an den Druck an der Auslaßseite möglich, falls der Druck in den
Zylinderräumen kleiner als der Druck an der Auslaßseite ist. Der Druck in den
Zylinderräumen kann somit in vielen Betriebszuständen an den Druck an der
Auslaßseite angepaßt werden. Die Umsteuervorgänge von der Niederdruck- auf die
Hochdruckseite werden verbessert, wodurch weniger Pulsationen an der
Verdrängereinheit entstehen und somit die Verdrängereinheit mit weniger
Geräuschen und Vibrationen arbeitet. Zudem wird es ermöglicht, die Länge der
Vorkompressionszone zu reduzieren, da der Druck in den Zylinderräumen nicht auf
den maximalen Betriebsdruck der Verdrängereinheit komprimiert werden muß.
Bei Verdrängereinheiten, bei denen die Vorkompressionseinrichtung als
Vorkompressionszone ausgebildet ist und einen Verbindungskanal aufweist, der mit
der Hochdruckseite in Verbindung steht, ist vorgesehen, daß der Verbindungskanal
zwei parallel angeordnete Kanalabschnitte aufweist, wobei in einem ersten
Kanalabschnitt das Ventil und in einem zweiten Kanalabschnitt die drosselnde
Einrichtung angeordnet ist. Dadurch kann das Ventil und die drosselnden Einrichtung
zu einem Drosselrückschlagventil zusammengefaßt werden, wodurch sich ein
einfacher Einbau beispielsweise in den Steuerspiegel einer Verdrängereinheit ergibt.
Von besonderem Vorteil ist bei dieser Ausgestaltung weiterhin, wenn von dem
Verbindungskanal mindestens ein weiterer mit einer drosselnden Einrichtung
versehener Verbindungskanal abzweigt.
Durch das Umsteuern von der Einlaß- auf die Auslaßseite über mehrere
Verbindungskanäle kann die Vorkompressionszone derart ausgestaltet werden, daß
der Druck in den Zylinderräumen auf einen Druck unterhalb des maximalen
Betriebsdrucks angehoben wird. Dadurch ist mit der erfindungsgemäßen
Vorkompression ein verbesserter Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Lösungen
erreichbar. In Betriebszuständen, in denen der Druck an der Auslaßseite den Druck in
den Zylinderräumen übersteigt, erfolgt der Druckausgleich mit der Auslaßseite über die
drosselnden Verbindungskanäle. Der Zeitraum, der zum Druckausgleich des
Zylinderraums mit der Auslaßseite zur Verfügung steht, kann durch die Verwendung
mehrerer Verbindungsbohrungen vergrößert werden, so daß Pulsationen beim
Umsteuern verringert werden.
Zweckmäßig ist es, die drosselnde Einrichtung als Blende auszuführen. Es kann
jedoch ebenfalls eine Drosselbohrung verwendet werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn an dem Verbindungskanal eine
Vorsteuerkerbe angeordnet ist. Der Druckunterschied zwischen dem Zylinderraum und
dem in dem Verbindungskanal anstehenden Druck wird allmählich abgebaut, wodurch
sich eine weitere Verbesserung des Umsteuerverhalten sowohl bei einer
Speicherumsteuerung als auch bei einer Ventilumsteuerung ergibt.
Die Erfindung kann sowohl bei Verdrängereinheiten in Axialkolbenbauweise mit einer
rotierenden Zylindertrommel, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine in
Schrägachsen- oder Schrägscheibenausführung, als auch bei Verdrängereinheiten mit
einem rotierenden Steuerspiegel, sogenannten Taumelscheibenmaschinen eingesetzt
werden. Zudem ist eine Verwendung der Erfindung bei Radialkolbenmaschinen sowohl
mit innerer als auch mit äußerer Beaufschlagung möglich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den
schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 Eine schematische Draufsicht auf einen Steuerspiegels einer
Axialkolbenmaschine,
Fig. 2 und 3 einen Abwicklungsschnitt durch einen Steuerspiegel mit einem
Speicherelement mit vergrößerter Kapazität,
Fig. 4 und 5 ein Speicherelement mit mehreren Verbindungskanälen, die das
Speicherelement mit dem Zylinderraum verbinden, in einer
Darstellung gemäß Fig. 2,
Fig. 6 und 7 ein Speicherelement mit einer vergrößerten Kapazität und
mehreren Verbindungskanälen, die das Speicherelement mit
dem Zylinderraum verbinden, in einer Darstellung gemäß
Fig. 2,
Fig. 8 ein Speicherelement und einen Verbindungskanal, der eine
Verbindung des Zylinderraums mit einer Steuerniere ermöglicht,
Fig. 9a und b weitere Ausgestaltungen des Speicherelements und
Fig. 10 und 11 einer) Abwicklungsschnitt durch einen Steuerspiegel einer
hydrostatischen Verdrängereinheit mit einer
Vorkompressionseinrichtung.
Die Fig. 1 zeigt den Schnitt durch den Steuerspiegel 2 einer Axialkolbenmaschine mit
zwei Steuernieren 5, 6, die jeweils mit der Niederdruck- und der Hochdruckseite eines
hydraulischen Kreislaufs in Verbindung bringbar sind, wodurch die Verdrängereinheit
sowohl als Pumpe als auch als Motor betreibbar ist. Die Zylinderräume der
Axialkolbenmaschine weisen an ihrer dem Steuerspiegel 2 zugewandten Seite jeweils
einen nierenförmige Steuerschlitz 8 auf, der durch eine Rotationsbewegung der
Zylindertrommel relativ zu einem feststehenden Steuerspiegel 2 oder des
Steuerspiegels 2 relativ zu einem feststehenden Zylinderblock abwechselnd in
Verbindung mit der Steuernieren 5, 6 steht. Bei einer Bewegung der Zylindertrommel
in Richtung 50 bewegt sich der Zylinderraum von der Steuerniere 5, die beispielsweise
die Niederdruckseite eines hydrostatischen Kreislaufes bildet, zur Steuerniere 6, die
die Hochdruckseite darstellt. Ist die Steuerniere 5 der Druckmitteleinlaß und die
Steuerniere 6 ein Druckmittelauslaß arbeitet die Verdrängereinheit als Pumpe. Falls
bei gleichem Druckmitteleinlaß und Druckmittelauslaß die Steuerniere 5 mit der
Hochdruckseite und die Steuerniere 6 mit der Niederdruckseite des Kreislaufes
verbunden ist, wird die Verdrängereinheit als Motor betrieben. Eine
Drehrichtungsumkehr kann durch eine Bewegung des Zylinderraums in Richtung 51
bewirkt werden. Bei entsprechender Beaufschlagung der Steuernieren 5, 6 mit
Hochdruck oder Niederdruck ist hierbei ebenfalls der Betrieb als Motor und als Pumpe
möglich. Eine Drehrichtungsumkehr kann bei einer Axialkolbenmaschine, die in nur
einer Rotationsrichtung betrieben wird, ebenfalls durch ein Verschwenken einer
Schrägscheibe über die senkrecht zur Drehachse liegende Mittelachse erfolgen.
Im Bereich des Trennsteges zwischen den Steuernieren 5 und 6 ist im Bereich A der
Steuerniere 6 ein Verbindungskanal 10 angeordnet, an dem zusätzlich eine
Vorsteuerkerbe 11 angeordnet sein kann. Der Verbindungskanal 10 steht bei einer
Verdrängereinheit mit einer Speicherumsteuerung mit einem Speicherelement in
Verbindung. Bei einer Pumpe, die in Richtung 50 betrieben wird und Druckmittel von
der Steuerniere 5 ansaugt und in die Steuerniere 6 fördert, wird das Druckmittel im
Zylinderraum auf annähernd den Druck an der Steuerniere 6 komprimiert, sobald die
Zylinderniere 6 den Verbindungskanal 10 im Steuerspiegel freilegt. Das
Umsteuerverhalten von der Niederdruck- auf die Hochdruckseite wird dadurch
verbessert. Für eine derartige im Einquadrantenbetrieb arbeitende Verdrängereinheit
ist es ausreichend, ein Speicherelement zwischen der Niederdruck- und der
Hochdrucksteuerniere in dem Bereich vor der Hochdrucksteuerniere anzuordnen.
Dieselbe Anordnung eines Speicherelements ergibt sich für den reinen Motorbetrieb
einer Verdrängereinheit.
Wird die Pumpe bei gleicher Drehrichtung ebenfalls als Motor eingesetzt, wobei die
Steuerniere 6 mit Niederdruck und die Steuerniere 5 mit Hochdruck beaufschlagt ist,
ist entsprechend im Bereich C der Steuerniere 5 ein Verbindungskanal mit einem
Speicherelement vorzusehen. Das im Bereich A angeordneten Speicherelement
verbessert hierbei gleichzeitig das Umsteuerverhalten von der Hochdruck- auf die
Niederdruckseite. Weist die Verdrängereinheit darüber hinaus eine über die
Mittelstellung verstellbare Schrägscheibe auf, wird hierdurch die Einlaß- und
Auslaßseite vertauscht und somit eine Drehrichtungsumkehr erzielt. Mit den in den
Bereichen A und C angeordneten Speicherelementen wird somit ebenfalls das
Umsteuerverhalten sowohl von der Niederdruck- auf die Hochdruckseite als auch von
der Hochdruck- auf die Niederdruckseite für eine derartige im Vierquadrantenberieb
arbeitende Verdrängereinheit verbessert. Werden bei einer Verdrängereinheit die
Zylinderräume zur Förderrichtungsumkehr in Richtung 50 bewegt, sind entsprechend
an den Bereichen B und D weitere Speicherelemente anzuordnen, um eine
Pulsationsminderung für den Vierqaudrantenbetrieb der Verdrängereinheit zu
ermöglichen.
Jedes der zwei bzw. vier Speicherelemente einer im Vierquadrantenbetrieb
arbeitenden Verdrängereinheit entspricht dem einzelnen Speicherelement einer im
Einquadrantenbetrieb betriebenen Verdrängereinheit. Im folgenden ist eine Anordnung
eines Speicherelements im Bereich A der Steuerniere 6 beschrieben. Das
Speicherelement kann jedoch ebenfalls je nach Betrieb der Verdrängereinheit an den
Bereichen B, C oder D oder an mehreren Bereichen angeordnet werden.
Bei einer Verdrängereinheit mit einer Vorkompressionsumsteuerung ist der Bereich
zwischen den Steuernieren 5 und 6 als Vorkompressionszone ausgebildet. Die
Steuerniere 5 ist beispielsweise mit Niederdruck und die Steuerniere 6 mit Hochdruck
beaufschlagt. Der im Bereich A angeordnete Verbindungskanal 10 weist ein in
Richtung zur Steuerniere 6 öffnendes Rückschlagventil mit einer parallel angeordneten
drosselnden Einrichtung auf. Wird die Verdrängereinheit als Pumpe in Richtung 50
betrieben, wird der Druck in den Zylinderräumen an den Druck der Steuerniere 6
angeglichen, wobei bei einem Druck in den Zylinderräumen, der höher als der Druck
an der Auslaßseite ist, das. Rückschlagventil öffnet. In Betriebszuständen, in denen der
durch die Vorkompression in den Zylinderräumen anstehende Druck geringer als der
Druck an der Steuerniere 6 ist, kann ein Druckausgleich über die drosselnde
Einrichtung erfolgen. Bei einem gleichzeitigen Betrieb als Motor mit gleicher
Drehrichtung ist zusätzlich im Bereich C der Steuerniere 5 ein Drosselrückschlagventil
vorzusehen, um das Umsteuern von der Niederdruck auf die Hochdruckseite zu
verbessern. Bei einer Axialkolbenmaschine mit einer in Gegenrichtung verstellbaren
Schrägscheibe kann mit diesen zwei Einrichtungen eine Pulsationsminderung im
Vierquadrantenbetrieb ermöglicht werden. Bei einem Vierquadrantenbetrieb, der durch
eine Drehrichtungsumkehr der Zylindertrommel in Richtung 51 erfolgt, sind in den
Bereichen B und D weitere Verbindungskanäle mit Drosselrückschlagventile
anzuordnen. Auch bei einer Verdrängereinheit mit einer Vorkompressionseinrichtung
entspricht jedes Drosselrückschlagventil des Vierquadrantenbetriebs dem
Drosselrückschlagventil des Einquadrantenbetriebs.
Die Fig. 2 zeigt einen abgewickelten Schnitt durch eine hydrostatische
Verdrängereinheit, beispielsweise eine Axialkolbenmaschine mit einem Steuerspiegel
2 und einer Zylindertrommel 3. Die Zylindertrommel 3 weist mehrere
Zylinderbohrungen 4a auf, in denen nicht mehr dargestellte Kolben längsverschiebbar
gelagert sind und Zylinderräume 4 bilden. Am Steuerspiegel 2 ist eine Einlaßseite und
eine Auslaßseite in Form von Steuernieren 5, 6 vorgesehen, wobei die Einlaßseite
beispielsweise mit der Niederdruckseite und die Auslaßseite mit der Hochdruckseite
eines hydraulischen Kreislaufes verbunden ist. Die Axialkolbenmaschine arbeitet somit
als Pumpe. Steht die Niederdruckseite mit einem drucklosen Behälter in Verbindung
arbeitet die Pumpe in einem offenen Kreislauf.
Bei einer Bewegung der Zylindertrommel 3 relativ zum Steuerspiegel 2, beispielsweise
durch eine Rotation der Zylindertrommel 3 relativ zu einem feststehenden
Steuerspiegel 2 oder durch Rotation des Steuerspiegels 2 relativ zu einem
feststehenden Zylinderblock 3, gelangen die Zylinderräume 4 abwechselnd mit der
Niederdruck-Steuerniere 5 und der Hochdruck-Steuerniere 6 des Steuerspiegels 2 in
Verbindung. Zwischen den Steuernieren 5 und 6 ist ein Steg 7 angeordnet, der zur
Trennung der beiden Steuernieren 5, 6 vorgesehen ist und der im Bereich der
Totpunkte der Längsbewegung der Kolben angeordnet ist. Die Zylinderräume 4 weisen
an der den Steuernieren 5, 6 zugewandten Seite Steuerschlitze 8 auf, die nierenförmig
ausgebildet sein können.
Zwischen den Steuerniere 5 und 6 ist ein Speicherelement 9 vorgesehen, das zur
Dämpfung von Pulsationen dient, indem es den in den Zylinderräumen 4 vorhandenen
Druck des Fluids an den an der Auslaßseite anstehenden Druck angleicht.
Hierzu ist ein Verbindungskanal 10 vorgesehen, der vom Speicherelement 9
ausgehend am Steg 7 des Steuerspiegels 2 mündet. In dem Verbindungskanal 10 ist
eine Verengung in Form einer Drossel 11 angeordnet, durch die der durch den
Verbindungskanal 10 fließende Volumenstrom beeinflußbar ist. Das Befüllen des
Speicherelements erfolgt hierbei in der Zeit, in der der Zylinderraum 4 über den
Steuerschlitz 8 in Verbindung mit der Hochdruck-Steuerniere 6 und dem
Verbindungskanal 10 steht.
Bewegt sich die Zylindertrommel 3 in Richtung 14 beispielsweise von der Niederdruck
zur Hochdruckseite der Verdrängereinheit 1, strömt in einer ersten Phase der
Bewegung Fluid in die Zylinderräume 4 ein, sobald die Steuerschlitze 8 der
Zylinderräume 4 mit der Niederdruck- Steuerniere 5 in Verbindung gelangen. In einer
weiteren Phase der Bewegung verschließt der Steuerschlitz 8 des Zylinders die
Verbindung zur Niederdruck-Steuerniere 5. Sobald der Steuerschlitz 8 die Mündung
zur Verbindungsleitung 10 freigibt, strömt Druckmittel aus dem Speicherelement 9 in
den Zylinderraum 4, wodurch der Druck im Zylinderraum 4 auf annähernd den Druck
an der Auslaßseite angeglichen wird. Bei der weiteren Bewegung der
Zylindertrommel 3 gelangt der Steuerschlitz 8 des Zylinderraum 4 in Verbindung mit
der Hochdruck-Steuerniere 6, so daß das in den Zylinderräumen 4 eingeschlossene
Druckmittel an die Hochdruckseite der Verdrängereinheit 1 gefördert wird. Durch die
Verwendung von Vorsteuerkerben 17 an der Hochdruck-Steuerniere 6 wird eine
verbleibende Druckdifferenz zwischen den Zylinderräumen 4 und der Hochdruck-
Steuerniere 6 langsam abgebaut. Das Umsteuern von der Niederdruck- auf die
Hochdruckseite einer derart als Pumpe ausgebildeten Verdrängereinheit wird dadurch
verbessert. Bei einem Motorbetrieb, d. h. einer unter Hochdruck stehenden Steuerniere
5 und einer unter Niederdruck stehenden Steuerniere 6, nimmt das Speicherelement 9
Druckmittel aus den Zylinderräumen 4 auf, so daß der Druck in den Zylinderräumen 4
an den Druck an der Auslaßseite angeglichen wird. Das Entleeren des
Speicherelements 9 erfolgt in der Zeit, in der die Zylinderniere 8 die Steuerniere 6 und
gleichzeitig den Verbindungskanal 10 freilegt. Das Umsteuerverhalten von der
Hochdruck- auf die Niederduckseite wird somit ebenfalls verbessert.
Das Speicherelement 9 ist als hydropneumatischer Speicher, beispielsweise als
Membranspeicher ausgebildet. Eine Membran 20 trennt den Speicher in zwei Räume,
wobei ein erster Raum 21 mit Druckmittel und ein zweiter Raum 22 mit Gas,
beispielsweise Stickstoff, gefüllt ist. Bei gleicher Dämpferwirkung gegenüber einem
rein ölgefüllten Speicher kann ein Speicher mit einem wesentlich kleineren Bauraum
verwendet werden. Dadurch kann der Bauraum eines erfindungsgemäßen
Speicherelements verkleinert werden, oder bei gleichgroßem Bauraum eine
verbesserte pulsationsmindernde Wirkung an der Verdrängereinheit erzielt werden.
Die Speisung oder das Entleeren des hydropneumatischen Speichers kann gemäß
Fig. 3 ebenfalls durch einen Kanal 12 und eine Drossel 13 erfolgen, der mit der
Auslaßseite in ständiger Verbindung steht. Durch die Drossel 13 ist der Volumenstrom
zum Befüllen des Speicherelements 9 beeinflußbar.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Maßnahme zur Verminderung der Pulsation.
Im Steuerspiegel 2 sind mehrere Verbindungskanäle 10 und 30 angeordnet, die das
Speicherelement 9 mit den Zylinderraum 4 verbinden. Jeder Verbindungskanal 10, 30
weist eine Drossel 15 bzw. 35 auf. Das Speicherelement 9 kann hierbei sowohl mit der
Steuerniere 6 gemäß Fig. 4 in intermittierender Verbindung oder gemäß Fig. 5 in
ständiger Verbindung stehen. Der Zeitraum, der zum Druckausgleich mit den
Zylinderräumen und zum Befüllen bzw. Entleeren des Speicherelements 9 zur
Verfügung steht, wird durch die Verwendung mehrerer Verbindungskanäle 10, 30
vergrößert. Zudem kann durch unterschiedliche Wahl der Drosselquerschnitte der
Drosseln 15, 35 eine stufenweise Anpassung des Druckes in den Zylinderräumen
erfolgen. Der Druck in den Zylinderräumen kann dadurch beispielsweise auf
annähernd den Druck an der Hochdrucksteuerniere 6 angehoben werden, ohne daß
die pulsationsmindernde Wirkung des Speicherelements 9 verloren geht.
Die Kombination eines Speicherelements 9 mit einer vergrößerten Kapazität und eines
weiteren Verbindungskanals 30, der eine Verbindung des Speicherelements 9 mit dem
Zylinderraum 4 ermöglicht, verdeutlicht Fig. 6 und 7. Mittels mehrerer
Verbindungskanälen 10, 30 wird das Umsteuerverhalten ebenfalls bei
Speicherelementen mit einer vergrößerten Kapazität erheblich verbessert. Das
Speicherelement 9 kann mit der Auslaßseite in intermittierender (Fig. 6) oder
ständiger Verbindung (Fig. 7) stehen.
Die Fig. 8 zeigt eine weitere,Maßnahme zur Geräuschreduzierung an hydraulischen
Verdrängereinheiten. Zusätzlich zum Speicherelement 9, das über den
Verbindungskanal 10 mit dem Zylinderraum 4 in Verbindung steht, ist ein weiterer
Verbindungskanal 30 vorgesehen, der den Zylinderraum mit der Steuerniere 6
verbindet. Durch eine geeignete Anordnung der Verbindungskanäle 10 und 30 im
Steuerspiegel 2 ist es möglich, den kinetischen Anteil der Pulsation mit dem
kinematischen Anteil zu überlagern, so daß die aus dem kinetischen und dem
kinematischen Anteil zusammengesetzte Pulsation geglättet wird. Der
Verbindungskanal 30 und 10 kann hierbei bezüglich der Lage am Steuerspiegel
vertauscht werden, so daß der Zylinderraum 4 bei einer Bewegung in Richtung 14
zuerst die Öffnung zum Verbindungskanal 10 und dem Speicherelement 9 freigibt.
Zudem können weitere Verbindungskanäle zur Verbindung des Speicherelements mit
dem Zylinderraum 4 vorgesehen werden. Darüberhinaus ist ebenfalls möglich, das
Speicherelement mit einer vergrößerten Kapazität auszugestalten.
Die Fig. 9a und 9b zeigen weitere Ausgestaltungen des Speicherelements 9. In
Fig. 9a ist das Speicherelement 9 als ölgefüllter Raum 40 ausgeführt, in den
nachgiebige Elemente 43 eingelegt sind. Diese Elemente sind beispielsweise aus
Kunststoff. Dadurch wird die Kapazität des Speicherelements 9 erhöht, wodurch
einerseits eine Reduzierung des notwendige Bauraums und andererseits eine
Verbesserung der Umsteuervorgänge gegenüber einem ölgefüllten Speicherelement
ermöglicht wird.
Das Speicherelement 9 gemäß der Fig. 9b weist einen ölgefüllten Raum 40
ausgeführt, der mit einer nachgiebigen Wand 41 abgegrenzt ist. Hierdurch wird die
Kapazität des Speicherelements 9 erhöht. Steht die nachgiebige Wand unter einer
Gasvorspannung 42, ist eine weitere Erhöhung der Kapazität des Speichers 9 möglich.
An der Verdrängereinheit wird somit die Pulsation wirkungsvoll vermindert, wodurch
ebenfalls weniger Vibrationen und eine geringere Geräuschentwicklung an der
Verdrängereinheit auftreten.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Steuerspiegel 2 einer Verdrängereinheit, wobei der
Steg 7 zwischen den Steuernieren 5 und 6 als Vorkompressionszone ausgebildet ist.
Die Steuerniere 5 stellt hierbei beispielsweise den Druckmitteleinlaß dar, der mit
Niederdruck beaufschlagt ist. Zur Verbesserung der Umsteuervorgänge ist in der
Vorkompressionszone ein Verbindungskanal 10 angeordnet, der in einen Abschnitt
50a und einen Abschnitt 50b aufzweigt und eine Verbindung der
Vorkompressionszone mit der Hochdruckseite herstellt. In dem Abschnitt 50b des
Verbindungskanals 10 ist ein in Richtung zur Auslaßseite öffnendes Rückschlagventil
52 angeordnet. Parallel zum Rückschlagventil 10 ist im Abschnitt 50a ein drosselndes
Bauelement 51 vorgesehen. Durch die Parallelschaltung des Rückschlagventils 52 und
des drosselnden Bauelements 51 wird ein Drosselrückschlagventil 57 gebildet, das auf
einfache Weise in den Steuerspiegel der Verdrängereinheit eingebaut werden kann.
In der Verdrängereinheit gemäß Fig. 11 ist zusätzlich zum Drosselrückschlagventil 57
ein weiterer Verbindungskanal 55 mit einem drosselnden Bauelement 56 vorgesehen.
Bewegt sich ein Zylinderraum 4 in Richtung 14 strömt Druckmittel aus der Steuerniere
5 in den Zylinderraum 4 ein, solange der Zylinderraum 4 mit der Steuerniere 5 in
Verbindung steht. Sobald der Steuerschlitz 8 die Steuerniere 5 verschließt, bewegt
sich der Zylinderraum 4 entlang des Steges 7 und somit der Vorkompressionszone,
wobei das in dem Zylinderraum 4 eingeschlossen Fluid durch den Hub des Kolbens
komprimiert wird. Sobald der Steuerschlitz 8 die Öffnung im Steuerspiegel 7 zur
Verbindungsbohrung 10 freigibt, findet ein Druckausgleich zwischen dem Druck im
Zylinderraum 4 und dem Druck an der Auslaß-Steuerniere 6 statt. Ist der durch die
Vorkompression im Zylinderraum 4 anstehende Druck höher als der Druck an der
Steuerniere 6, öffnet das Rückschlagventil 52, wodurch der Zylinder 4 über den
Verbindungskanal 10, den Abschnitt 50b und das Rückschlagventil 52 mit der
Steuerniere 6 in Verbindung steht.
Sofern der Druck im Zylinderraum 4 den an der Steuerniere 6 anstehenden Druck
nicht übersteigt, steht der Zylinderraum 4 über den Verbindungskanal 10, den
Abschnitt 50a und das drosselnde Bauelement 51 mit der Steuerniere 6 in Verfindung.
Es findet somit ebenfalls ein Druckangleich des Druckes in dem Zylinderraum 4 und
dem Druck an der Steuerniere 6 statt.
Bei der weiteren Bewegung des Zylinderraum 4 in Richtung 14 öffnet der Zylinderraum
direkt in die Hochdrucksteuerniere 6. Aufgrund des Druckangleichs zwischen den
Zylindern 4 und der Auslaßseite 6 treten nur geringe Pulsationen auf. Um mögliche
Restdruckdifferenzen langsam abzubauen, ist an der Steuerniere 6 eine
Vorsteuerkerbe 19 angeordnet.
Bei Verdrängereinheiten mit einer Vorkompressionszone, die gegen verschieden hohe
Drücke an der Auslaßseite arbeiten, werden die Umsteuervorgänge weiter optimiert
und somit die Pulsation in einer weiten Bandbreite von Betriebszuständen wirksam
minimiert. An der Verdrängereinheiten treten somit geringe Vibrationen und Geräusche
auf.
Durch die Verwendung mehrerer Verbindungskanäle wird das Umsteuerverhalten
weiter verbessert. Bei Verdrängereinheiten, die zusätzlich im Motorbetrieb betrieben
werden, kann durch eine entsprechende Anordnung der Verbindungsbohrungen ein
Druckanstieg auf hohe Werte in den Zylinderräumen 4 bei einer Bewegung von der
Hochdrucksteuerniere 5 zur Niederdrucksteuerniere 6 aufgrund der Vorkompression
vermieden werden.