DE2656056A1

DE2656056A1 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE2656056A1
Application number: DE19762656056
Authority: DE
Inventors: Howard Leighton Johnson; Walter Zdzislaw Ruseff
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1976-01-23
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1977-07-28
Also published as: BE850282A; CA1039572A; FR2339075A1; GB1505945A; BR7607852A; JPS5634985A; US4034564A; FR2339075B1

Description

CATERPILLAR TRACTOR CO,, Peoria, Illinois 61629, V.St.A.

Kolbenpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf Axialkolbenpumpen mit veränderbarer Verdrängung,. und insbesondere auf eine derartige Pumpe mit Verdrängungssteuermitteln, die automatisch die Verdrängung dieser Pumpe aufrechterhalten und stufenlos verändern.

Mit veränderbarer Verdrängung arbeitende Pumpen werden oftmals bei stark belasteten Vorrichtungen und Maschinen verwendet, beispielsweise auf dem Gebiet der Erdbewegungsmaschinen, und zwar deshalb, weil die Pumpenströmung und der Systemdruck entsprechend den Systemanforderungen verändert werden können. Derartige mit veränderbarer Verdrängung arbeitende Pumpen sind oftmals mit Druckkompensatorsteuerungen ausgerüstet, um den Pumpenabgabedruck entsprechend dem Systemdruck zu steuern oder zu verändern.

Es ist bereits eine Anzahl von Steuersystemen bekannt, die basierend auf dem Lastdruck des Systems die Verdrängung der Pumpe steuern. Diese bekannten Systeme umfassen jedoch nicht hinreichend

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viele Variable, um die genaue und kontinuierliche Steuerung der Verdrängung sicherzustellen.

Zum Stand der Technik sei auf die folgenden U.S. Patente hingewiesen: 2 892 312, 3 834 836 und 3 797 245.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig..1 eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems mit einer gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildeten, eine veränderbare Verdrängung aufweisenden Pumpe;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Teils der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildeten Pumpe mit veränderbarer Verdrängung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Austrittsströmung abhängig vom Austrittsdruck, wobei Kurven die Systemlastdrücke darstellen.

Das Hydrauliksystem besitzt - vergleiche Fig. 1 - eine Pumpe 10 mit veränderbarer Verdrängung, um ein unter Druck stehendes Strömungsmittel über eine Leitung 11 an ein erstes Verteilerventil 12 zu leiten, um selektiv Strömungsmittel zum Betrieb eines Motors 13 und zu zweiten und dritten Verteilerventilen 14 und 15 zu lenken, um so Strömungsmittel zum Betrieb von anderen (nicht gezeigten) Hydraulikmotoren zu liefern. Die mit veränderbarer Verdrängung arbeitende Pumpe sowie deren Betrieb ist am besten im U.S. Patent 3 834 836 beschrieben.

Die Pumpe umfaßt ein Gehäuse 16, in dem eine Pumpenzylindertrommel angeordnet ist, die durch eine Antriebswelle 17 drehbar an-

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getrieben wird, welch letztere, in bekannter Weise, mit einer geeigneten Hauptantriebsquelle verbunden ist. Die Zylindertrommel umfaßt eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Zylindern, in denen eine Vielzahl von hin- und hergehenden Kolben angeordnet ist, die durch Gleitteile oder dgl. geführt sind, welche gleitend auf Trägermitteln in der Form einer nicht drehbaren, aber kippbaren Schwenkscheibe 18 angeordnet sind, die ihrerseits durch geeignete Mittel 19 zur Schwenkung um eine Horizontalachse angeordnet ist. Die Hubgröße oder Verdrängung der Kolben innerhalb der Bohrungen wird durch die Kippgröße der Schwenkscheibe, in bekannter Weise, bestimmt.

Die Pumpe 10 besitzt einen Kopf mit einer nicht gezeigten Einlaßöffnung, um ein Strömungsmittel in die Zylinder von einem geeigneten Reservoir aus einzusaugen, wobei ferner eine Auslaßöffnung 21 vorhanden ist, um unter Druck stehendes Strömungsmittel Leitungsmitteln 11 zuzuführen. Der Kopf umfaßt erste und zweite zylindrische Bohrungen 22, 23 , in denen erste Mittel oder eine Druckreduzierpatrone 24 und zweite Mittel oder eine Servopatrone 25 angeordnet sind.

Die Druckreduzierpatrone 24 umfaßt Kolbenmittel, die durch Stangenmittel 27 mit der Schrägscheibe 18 verbunden sind, um diese auf einen Minimalverdrängungsanschlag 28 hin vorzuspannen. Die Servopatrone 25 umfaßt Stangenmittel 26, welche mit der Schrägscheibe 18 verbunden sind, um diese gegen einen maximalen Verdrängungsanschlag 29 hin vorzuspannen.

Die erfindungsgemäßen Steuermittel sprechen auf eine Systembelastung an, um eine der Steuerfunktionen für die Verdrängung der Pumpe vorzusehen. Der Ausdruck "Systembelastung" oder "Systemlast", wie er hier verwendet wird, ist die Maximallast an irgendeinem Arbeitselement, beispielsweise einem durch Verteilerventile 12, 14 oder 15 gesteuerten Motor. Diese an einem durch Ventil 12, 14 oder 15 gesteuerten Motor auftretende Last ist durch den Druck in der entsprechenden Motorsteuerleitung meßbar, welche eines der Ventile mit dem entsprechenden Motor verbindet. Hier wird die größte Systembelastung der Ventile 12, 14 oder 15 verwendet.

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Die Lastabfühlmittel umfassen Leitungsmittel 30, welche an einem Ende mit einem Druckreduzierventil 31 und ferner mit Zweigleitungen 32, 33, 34 in Verbindung stehen, die ihrerseits mit Motorsteuerleitungen der Verteilerventile 12, 14, 15 verbunden sind. Jede der Zweigleitungen 32, 33, 34 weist ein Einwegsteuerventil 35, 36, 37 auf, um eine Einwegverbindung des Strömungsmitteldrucks von der maximalen Last zum Lastdruckreduzierventil· 31 sicherzustellen.

Das Verteilerventil 12 liefert unter Druck stehendes Strömungsmittel· von Leitung 11 zum Betrieb des Motors 13 über Motorsteuerleitungen 38, 39. Die Leitungen 38, 39 sind mit Öffnungen innerhalb des Ventilkörpers verbunden, der einen Ventilkolben aufweist, um die Verbindung vorzusehen. Die Zweigleitung 32 steht in Verbindung mit Durchlass 40 von Ventil 12. Der Durchiass 40 steht in Verbindung mit Leitungen 38, 39 über Resolverventil 41 (vgl. Fig. 1). Unter Druck stehendes Strömungsmittel läuft daher von einer der Leitungen 38, 39 über Resolverventil· 41, Durchlass 40 und Zweigieitung 32 zur (Haupt)-Leitung 30, um das unter Druck stehende Strömungsmittel mit dem Lastdruckreduzierventil· 31 zu verbinden. Am Ventil 31 wird der Druck reduziert.

Die ersten Mittel oder die Druckreduzierpatrone 24 umfaßt, vgl·. Fig. 2, ein zylindrisches Gehäuse 42, welches innerhalb der zweiten Zylinderbohrung 23 eingepaßt ist. Das Gehäuse 42 umfaßt eine einen abgestuften Durchmesser aufweisende Durchgangsbohrung, um eine Reihe von verbundenen Zylindern und Durchlässen zu biiden. Ein erster Zyiinder 43 enthäit einen hin- und hergehenden Koiben 44, und zwar zur Biidung einer Druckkammer 45 am Kopfende des Kolbens 44. Der Kolben 44 ist mit der Schrägscheibe 18 (vgl. Fig. 1) über Stangenglied 27 verbunden. Ein Durchlaß 46 verbindet die Druckkammer 45 mit einer zweiten Bohrung 47. Die zweite Bohrung 47 enthält ein hin- und herbewegbares Ventilg^ed 48 zur Steuerung oder Zumessung des Strömungsmitteiflusses von Durchiässen 46, 49. Eine dritte Bohrung 50 enthält einen Kolben 51, um auf Ventilglied 48 einzuwirken und dessen Stellung zu steuern. Ein Stopfen 52 ist im Ende der Zylinderbohrung 50 befestigt

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und umfaßt Stopp- oder Anschlagmittel 53 für den Eingriff mit dem Kolben 51. Eine Kammer 54 wird durch das Ende der dritten Bohrung 50 und den Kolben 51 am Kopfende desselben definiert.

Eine Ablaßkammer 55 ist am Fußende des Kolbens 51 ausgebildet. Ein Ablaßdurchlaß 56 verbindet den Gehäusedruck mit dem Kolben 51 und schafft einen Ablaß für die Kammer 55 zur Bewegung des Kolbens 51 gegenüber Ventilglied 48. Ein Durchlaß 57 verbindet unter Druck stehendes Strömungsmittel von der Auslaßöffnung 21 der Pumpe 10 mit einem Durchlaß 58, der mit Durchlaß 46 in Verbindung steht, um das Strömungsmittel zum Durchlaß 49 durch Ventilglied 48 zu steuern. Das Strömungsmittel läuft vom Durchlaß 49 über Durchlaß 59 zum Durchlaß 60 zur Verbindung mit Kammer 54 am Kopfende des Kolbens 51. Das durch den Durchlaß 46 geleitete, unter Druck stehende Strömungsmittel wirkt in Kammer 45 auf den Kolben 44 ein, um den Kolben 44 nach aussen vorzuspannen und die Schwenkplatte 18 in einer Richtung zur Minimalverdrängungsstellung hin zu drücken. Das durch Ventilglied 48 laufende Strömungsmittel wird sodann mit dem Kopfende des Kolbens 51 verbunden, um auf das Ventilglied 48 einzuwirken und den Druck dieses Strömungsmittels zu steuern. Das Strömungsmittel wird ebenfalls über Durchlaß 61 mit der zweiten Patrone 25 verbunden .

Die zweite Servopatrone 25 besitzt ein Gehäuse 62, welches innerhalb der ersten Zylinderbohrung 22 befestigt ist. Das Gehäuse 62 besitzt eine erste zylindrische Bohrung 63, in der ein Kolben 64 hin- und herbewegbar angeordnet ist, der durch eine Stange 26 (vgl. Fig. 1) mit der Schwenkscheibe 18 verbunden ist. Das Gehäuse 62 besitzt ebenfalls eine zweite Bohrung 65, in der eine Folge- oder Servo-Hülse 66 für eine Hin- und Herbewegung angeordnet ist.

Ein Servoventilkolben 67 ist hin- und herbewegbar innerhalb einer Bohrung 68 der Hülse 66 angeordnet. Ein Haltestopfen 69 ist innerhalb der Bohrung 65 des Gehäuses 62 befestigt und besitzt eine Bohrung 70. Eine Stange 71 ist hin- und herbewegbar innerhalb der Bohrung 70 befestigt und ist an einem Ende mit dem Kolben 64 verbunden und liegt mit dem anderen Ende am Stopfen

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72/ der an der Hülse 66 befestigt ist, an. Die Servohülse 66 bewegt sich innerhalb der Bohrung 65 entsprechend der Bewegung des Kolbens 64. Eine Kompressionsfeder 73 liegt am Ende der Hülse 66 an, um diese gegen den Stopfen 69 vorzuspannen und der Servoventilkolben 67 ist über eine Kompressionsfeder 74 gegen den Stopfen 72 vorgespannt.

Die Relativstellungen von Hülse 66 und Ventilkolben 67 im Gehäuse 62 steuern die Verbindung des Strömungsmittels zwischen dem Hochdruckauslaß 21 der Pumpe 10 und der Kammer 78 über Durchlässe 75, 76, 79, 80, 76A, 77. Das Strömungsmittel in der Kammer 78 wirkt auf den Kopf des Kolbens 64. Die Stellung der Hülse 66 wird durch die Federkraft der Feder 73, die Stellung des Kolbens 64 und der Stange 71 und dem Druck in Kammer 83 bestimmt.

Die Stellung des Ventilkolbens 67 in der Hülse 66 steuert die Verbindung zwischen dem Durchlaß oder der Öffnung 79 und dem Durchlaß oder der Öffnung 80 und stellt die Verbindung mit Durchlaß 76 her. Demgemäß schafft oder gestattet die Stellung des Kolbens 67, wie gezeigt, die Verbindung zwischen Durchlaß oder Öffnung 79 in Verbindung mit Durchlaß 76 und Durchlaß oder Öffnung 80 in Verbindung mit Durchlaß 7 6A. Bei der Bewegung des Kolbens 67 nach rechts wird jedoch die Verbindung zwischen der Öffnung 79 und der öffnung 80 unterbrochen, was zur Folge hat, daß der auf dem Kolben 64 wirkende Druck dadurch abnimmt, daß Strömungsmittel zum Gehäuseabfluß über Schlitze und eine -Öffnung in Kolben 67 fließt, und wobei gestattet wird, daß der Kolben 44 die Kraft des Kolbens 64 überwindet und die Schwenkscheibe oder Schrägscheibe auf eine Stellung niedrigerer Verdrängung verschwenkt.

Die Stellung des Kolbens 67 innerhalb der Bohrung 68 der Hülse 66 wird durch die Stellung der Hülse 66 und den auf den Servoventilkolben 67 wirkendenDruck bestimmt. Dieser auf den Kolben 100 einwirkende Druck wird über Durchlaß 61 zum Durchlaß 81 geleitet, der mit einem Durchlaß 82 in Hülse 66 und

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schließlich einer Kammer 83 in Verbindung steht, wo der Druck auf Differentialkolbenflächen 84, 85 einwirkt, die durch eine Nut zwischen zwei unterschiedlichen Durchmessern auf Kolben 67 ausgebildet sind. Da die Fläche 85 größer ist als die Fläche 84, besteht die Tendenz, daß der Kolben 100 nach rechts gegen die Kraft der Feder 74 gedruckt wird. Dieser innerhalb der Kammer 83 auf die Kolbenflächen 84, 85 einwirkende Druck ist der Abgabe- oder Austrittsdruck und zwar reduziert durch die ersten Mittel oder Druckreduzierpatrone 24, die stromabwärts gegenüber der Pumpe 10 angeordnet ist.

Das am Kopf der Pumpe 10 angeordnete Gehäuseglied 86 enthält einen Kolben 87 innerhalb einer Bohrung 88. Dieser Kolben 87 spricht auf den verminderten Lastdruck an, der einer Kammer 89 über Durchlaß 90 und Reduzierventil 31 zugeführt wird, um ferner auf den Ventilkolben 67 des Servoventils oder der Patrone 25 einzuwirken.

Das Lastdruckreduzierventil 31 umfaßt eine Einlaßbohrung 91, in der ein Ventilglied 92 angeordnet ist,welches durch den Kolben 93 gesteuert wird, um in gesteuerter Weise Strömungsmittel von Leitung 30 zum Durchlaß 90 zu leiten, der mit dem Kolben in Verbindung steht. Der Kolben 93 ist innerhalb der Bohrung 94 befestigt und umfaßt eine Ablaßkammer 95 am unteren Ende, die zum Kurbelgehäuse der Pumpe 10 über Durchlaß 96 abgelassen wird. Eine innerhalb der Kammer 98 angeordnete Feder 97 spannt den Kolben 93 zum Ventilglied 92 hin vor. Der Durchlaß 99 schafft eine Verbindung der Kammer 98 mit dem Durchlaß 90.

Das Lastdruckreduzierventil 31 und die zugehörige erfindungsgemäße Ausrüstung vermindern in gesteuerter Weise einen Lastdruck der Hauptleitung 30 zur Bildung eines modifizierten Lastdrucksteuersignals, welches über Leitung 90 dem Servoventil 25 zugeleitet wird und eine zusätzliche Vorspannung auf das Servoventil 25 ausübt, und zwar infolge des erwähnten modifizierten Lastdrucksteuersignals. Das modifizierte Lastdrucksteuersignal wird an den Kolben 87 geliefert. Der Kolben 87 ist infolge des modifizierten Lastdrucksteuersignals bewegbar, um in steuerbarer Weise die Elemente des Servoventils 25 zu bewegen. Der

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Kolben 87 ist von einem solchen Aufbau, daß dies ausreicht, um die Schwenkscheibe infolge eines modifizierten Lastdrucksteuersignals, welches größer ist als ein vorgewählter Wert, vorzuspannen.

In Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Lastdrucks abhängig von der Austrittsströmung dargestellt, wobei eine Reihe von Kurven Zylinderlastdrücke darstellt. Dies stellt die Funktionsweise des Systems dar,um den Pumpenabgabedruck auf einem vorbestimmten Niveau oberhalb des Zylinderlastdrucks zu halten, wodurch eine stufenlose Einstellwirkung erreicht wird.

Beim Betrieb der ersten und zweiten Mittel 24, 25 zur Steuerung der Stellung der Schrägscheibe 18 wird, wie bekannt, aus der Pumpe 10 austretendes Strömungsmittel an die Mittel 24, 25 geliefert, um die Schrägscheibe 18 durch die Stangenmittel 26, 27 infolge des Drucks des Austrittsströmungsmittels zu steuern.

Die Größe der auf die Schwenkscheibe 18 über die Stangenmittel 27 ausgeübten Vorspannkraft spricht auf den Druck des aus der Pumpe 10 austretenden Strömungsmittels an.

Die Größe der auf die Schwenkplatte 18 über Stangenglied 26 ausgeübten Vorspannkraft spricht auf den Druck des aus Pumpe 10 austretenden Strömungsmittels und eine vorgewählte Kraft an, welche durch Federmittel 73, 74 auf die Servopatrone 25 ausgeübt wird. Die auf die Schwenkscheibe 18 über die Servopatrone 25 ausgeübte Vorspannkraft wird, wie in den oben erwähnten Patenten beschrieben, teilweise durch die Stellungen der Hülse 66 und des Ventilkolbens 67 relativ zueinander und zu ihrem zugehörigen Gehäuse 62 bestimmt.

Wenn der Stromungsmittelaustrittsdruck der Pumpe 10 abnimmt, treiben die ersten und zweiten Mittel 24, 25 die Schwenkscheibe 1 8 zur maximalen Verdrängungsstellung hin, wo ein Ende der Schwenkscheibe 18 mit dem Anschlagelement 29 in Berührung kommt, und das andere Ende der Schwenkscheibe 18 mit Abstand gegenüber dem Anschlagelement 28 angeordnet ist. Wenn der Strömungsmitte1-

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austrittsdruck der Pumpe 10 ansteigt, so dienen die ersten und zweiten Mittel 24, 25 dazu, die Schwenkplatte 18 in eine minimale Abgabe- oder Verdrängungsstellung zu bewegen, wo das eine Ende der Schwenkscheibe 18 im wesentlichen das Anschlagelement 28 berührt und das andere Ende der Schwenkscheibe 18 mit Abstand gegenüber dem Anschlagelement 29 angeordnet ist.

Durch diese Konstruktion wird die Pumpenverdrangung automatisch gesteuert, um einen vorgewählten Pumpenabgabedruck aufrechtzuerhalten. Dieser vorgewählte Abgabedruck spricht daher auf die durch die Federmittel 73, 74 ausgeübte Vorspannkraft an. Änderungen im vorgewählten Abgabedruck können daher durch Auswechseln der Federn 73, 74 erreicht werden.

Durch Hinzufügung der erfindungsgemäßen Steuermittel wird die Verdrängung der Pumpe ferner infolge des Lastdrucks gesteuert, der auf das hydraulische System ausgeübt wird. Wenn der Lastdruck über einen vorgewählten Wert ansteigt, so wird erfindungsgemäß eine gesteuerte oder kontrollierte zusätzliche Vorspannkraft auf die Schwenkscheibe 18 durch Kolben 87 über Stange 26, Ventilkolben 67 und Hülse 66 ausgeübt, um die Schrägscheibe 18 zur Stellung maximaler Verdrängung hin zu verschieben, wodurch das Ansteigen des Pumpendrucks veranlaßt wird.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher die Pumpe automatisch gesteuert werden, um bei Abgabedrücken zu arbeiten , die enger mit den Anforderungen des Systems in Beziehung stehen, was eine Verminderung von Verlusten bedeutet. Weitere Aspekte sowie Ziele und Vorteile der Erfindung erhält man aus einer Betrachtung der Zeichnungen sowie der Beschreibung zusammen mit den Ansprüchen.

Die Erfindung der Anmeldung ist auch unabhängig von der Hauptanmeldung anwendbar.

Mif'Resolverventil" ist ein Ventil bezeichnet, in welches zwei oder mehr Signale eintreten und nur das größte Signal austreten kann.

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Claims

Ansprüche

1.) Kolbenpumpenanordnung mit einem Gehäuse, einer winkelmäßig einstellbaren Schwenkscheibe zur Steuerung des Volumens des von der Pumpe abgegebenen Strömungsmittels, einem Servoventil mit Vorspannmitteln und angeordnet in Berührung mit der Schwenkscheibe an einer Stelle ausreichend, um die Schwenkscheibe in eine Stellung für maximale oder minimale Strömungsmittelabgabe vorzuspannen,und mit Mitteln, die in Berührung mit der Schwenkscheibe an einer Stelle angeordnet sind, die genügt, um die Schwenkscheibe in die andere Strömungsmittelabgabesteilung vorzuspannen, wobei die erwähnten Mittel 23 in Verbindung mit der Strömungsmittelabgabe von der Pumpe stehen, um die Schwenkscheibe (18) infolge des Drucks des Abgabeströmungsmittels vorzuspannen, gekennzeichnet durch Mittel (31) zur gesteuerten Reduzierung eines Lastdrucks (30) zur Bildung eines modifizierten Lastdrucksteuersignals (90), zur Leitung des modifizierten Lastdrucksteuersignals (90) zum Servoventil (25) und zum Aufprägen einer Vorspannkraft auf das Servoventil (25) infolge des modifizierten Lastdrucksteuersignals (90) .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Kolben (87) umfassen, und zwar angeordnet benachbart zum Servoventil (25) und beweglich infolge des modifizierten Lastdrucksteuersignals (90) zur steuerbaren Bewegung des Ventils (25).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (87) eine Konstruktion besitzt, die ausreicht, um die Schwenkscheibe (18) infolge eines modifizierten Lastdrucksteuersignals (90), welches größer ist als ein vorgewählter Wert, vorzuspannen.

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4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Leitung (32,33,34) in Strömungsmittelverbindung mit dem Strömungsmittel eines Arbeitselements (12,14,15) aufweisen, um den Lastdruck (30) den Mitteln (31) zuzuführen, und wobei die Mittel ferner ein in der Leitung (32,33,34) angeordnetes Druckreduzierventil (31,92) und Mittel (97, 93) aufweisen, um das Druckreduzierventil (92) in eine geschlossene Stellung vorzuspannen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel· (97, 93) des Druckreduzierventils (92) eine Feder (97) sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckreduzierventil (31, 92) einen Kolben (93) in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung (30) an einer Stelle stromabwärts gegenüber dem Druckreduzierventil (92) aufweist, um zusätzlich das Druckreduzierventil (92) in die geschlossene Stellung vorzuspannen.

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