DE3208250A1

DE3208250A1 - Einrichtung zum steuern und/oder regeln einer axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE3208250A1
Application number: DE19823208250
Authority: DE
Inventors: Joachim. Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Heiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-03-08
Filing date: 1982-03-08
Publication date: 1983-09-15
Also published as: US4496289A; JPS58162777A

Description

18.2.1982 Wd/Kc

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Axialkolbenmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs . Derartige "bekannte Einrichtungen verwenden für diesen Zweck teils elektrisch/ elektronische Sensoren für die Drehzahlmessungen und Winkellage der Schwenkscheibe sowie hydraulische für die Messung beispielsweise des Förderdrucks, unter Umständen auch noch mechanische zum Ermitteln eines oder mehrerer der obengenannten Parameter. Dadurch wird die Einrichtung sehr aufwendig und auch störanfällig.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Signale für Drehzahl, Fördervolumen und Förderdruck in Form elektrischer Spannungen gewonnen werden, und die entsprechende Signalverarbei-

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tung in einer elektronischen Steuerung vorgenommen wird. Diese steuert entsprechend dem eingegebenen Programm sämtliche gewünschten Funktionen der Maschine. Damit wird eine wesentliche Vereinfachung der Steuereinrichtung erzielt, so daß Übersichtlichkeit und Zuverlässigkeit wesentlich verbessert werden. Die Einrichtung hat weiterhin den Vorteil, daß die hierfür notwendigen Elemente baukastenmäßig kombinierbar sind und bereits vorhandene Maschinen auch auf einfache Weise mit solchen Steuerelementen nachrüstbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein ersten Ausführungsbeispiel in teils schematischer Darstellung, teils im Schnitt, Figuren 2 und 3 eine Einzelheit im -Längsschnitt und im Querschnitt längs III-III nach Figur 2, Figur h und 5 eine Schemaskizze, Figur .-5" eine schematische Darstellung eines weiteren Teils (Schwenkscheibe)

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist mit 10 eine Axialkolbenpumpe bekannter Bauart bezeichnet, von der nur einige wenige Teile dargestellt -s-ind, wobei die Pumpe oberhalb der Mittellinie senkrecht, unterhalb derselben waagrecht geschnitten ist. Im Gehäuse 1Ö' der Maschine 10 ist in bekannter

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Weise auf zwei Zapfen 11, 12 eine Schwenkscheibe 13 in Wälz- oder Gleitlagern 1k gelagert, auf der sich über Gleitschuhe mehrere in einer rotierenden Trommel 15 angeordnete Kolben 16 abstützen. Die Trommel 15 wird über eine Welle 17 angetrieben. Letztere treibt auch -eine Hilfspumpe 18 an, die das notwendige Druckmittel für die Stellmotoren (nicht dargestellt) zum Verstellen der Schwenkscheibe 13 bereitstellt.

In mindestens einem der Zapfen 11, 12 ist ein magnetoelastischer Sensor 20 angeordnet, und zwar in einer Sackbohrung 22 des Zapfens 11. Dieser an sich bekannte (DE-OS 30 Ok 592) Sensor ist in den Figuren 2 bis 5 im einzelnen dargestellt. Der Zapfen 11 hat an seiner außen-

ii liegenden Stirnseite einen flanschartigen Bund 21. In die Sackbohrung 22 ist ein Spulenträger 23 eingesetzt und über zwei Kolbenabschnitte 2k in ihr geführt. An dem am weitesten in die Sackbohrung 22 heineinragenden Ende des Spulenträgers 23 ist ein E-förmiger Magnetkern 25 befestigt. Dessen Mitte liegt etwa an der Trennebene" von Lager ^k und Gehäuse 10'; dort ist die Schubspannung im Zapfen 11 am größten. Die beiden äußeren, in derselben Ebene liegenden Schenkel 26, 27 des Magnetkerns 25 tragen die beiden Sekundärspulen 28, 29. Der mittlere Schenkel 30 des E-förmigen Magnetkerns 25 ist in eine zu den äußeren Schenkeln um 90 versetzte Ebene umgebogen und trägt eine Primärspule 31. Der Magnetkern 25 ist so angeordnet, daß die Enden der Schenkel 26, 27, 29 möglichst nahe an der Innenwand der Sackbohrung 22 liegen. Diese ist am Bund 21 durch eine Deckscheibe verschlossen. In dieser ist eine Einstellschraube 33 gelagert, die mit ihrem freien Ende in den Spulenträger

23 hineinragt und mit deren Hilfe dieser in seiner axialen Lage verstellbar ist. Damit der Spulenträger 23 im Zapfen 11 seine vorgesehene Winkellage einhält, ist. in der Deckscheibe 32 eine Führungsstange 3U befestigt, die durch eine Ausnehmung im vorderen Kolbenabschnitt 2U des Spulenträgers 23 hindurchführt. Die elektrischen Anschlüsse für die Primärspule 31 und die Sekundärspulen 28, 29 sind in nicht näher gezeichneter Weise durch den Spulenträger 23 hindurch nach außen geführt. Wie die Figur 3 zeigt, greift die am zapfen 11 ausgeübte Kraft in Richtung der Linie 35 am Zapfen 11 an. Dadurch wird erreicht, daß die magnetischen Flußlinien über den Zapfen in einem Bereich hoher Schubspannung aber geringer Biegespannung verlaufen und daß die Vektoren der Schubspannung und des Magnetfeldes gleich gerichtet sind. Zapfen selbst bestehen zweckmäßigerweise aus weichmagnetischem Werkstoff, damit der erwähnte Feldlinienfluß optimal stattfinden kann. Vom magnetischen Sensor 20 führt eine Leitung 36 zu einem Frequenz- bzw. Druck-Spannungswandler 37·

Am Außenumfang der Schwenkscheibe 13 und um 90 gegenüber den Zapfen 11, 12 versetzt befindet sich eine Nase 39, die beim Schwenken der Schwenkscheibe eine Kreisbahn beschreibt. Diese Kreisbahn wird über einen Zwischenhebel Uo in eine Schwenkbewegung eines Hebels U1 umgewandelt. Der Hebel U1 ist um einen in einem Adaptergehäuse U2 gelagerten Bolzen 1+ 3 verschwenkbar, und zwar in Abhängigkeit von der Verstellung der Schwenkscheibe und damit der geometrischen Fördermenge der Pumpe. An dem beim Bolzen U3 gelegenen Ende des Hebels ist ein Hocken UU angeordnet, an den durch die kraft einer Feder U5 ein Bolzen U6 angedrückt wird. Dieser steht mit einem

induktiven Wegaufnehmer kj bekannter Bauart in Wirkverbindung. Der Bolzen k6 vollführt je nach Steigungskurve des Nockens eine von der Winkelbewegung desselben abhängige Hubbewegung. Der Nocken kh ist vorzugsweise so ausgelegt, daß 100 % Verstellung der Schwenkscheibe 13 100 % des Wegaufnehmers hf entsprechen. Der Wegaufnehmer ij-7 liefert seine Information einem Weg-Spannungswandler lj-7 ' . Das aus diesem austretende Signal hat den Zusammenhang

+ U_c = U_Q ^VH
— S S max · rr-

H max

wobei V₁₁₁ das Fördervolumen bedeutet.

^H ι

An der Flanschfläche 50, an der das Adaptergehäuse U2 befestigt ist, befinden sich Anschlüsse für hydraulische Kanäle 51 bis 53. Der Kanal 52 kommt von der Hilfspumpe 18, die Kanäle 51 und 53 führen einerseits zu den nidht dargestellten Stellmotoren für die Schwenkscheibe 13, andererseits zu einem elektromagnetisch betätigten Proportionalventil 5^j das den von der Hilfspumpe geförderte Druckmittelstrom zu den Stellmotoren leitet. Die Magnete des Proportionalventils 5^· werden angesteuert über Leitungen 56, 57· Diese erhalten ihre Signale von einem elektronischen Steuergerät 58. Die elektronische Steuerung ist beispielsweise zusammengefaßt in Kasten . 5U auf dem Proportionalventil angeordnet.

Die Druckmessung der Axialkolbenpumpe wird mit Hilfe des magnetoelastischen Sensors 20 durchgeführt. Dabei ist folgendes vorauszuschicken· Der Kraftfluß in der Pumpe ist so ausgebildet, daß die Summe der Druckkräfte

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aller Korben auf die beiden einander diametral gegenüberliegenden Zapfen 11, 12 übertragen wird. Da die Druckkräfte im wesentlichen von den hochdruckseitigen Kolben erzeugt werden, wird die Lagerstelle des Schwenkzapfens auf der Seite der fördernden Kolben K1 bis K^ (siehe Figur 6) höher belastet als das Lager auf der Saugseite (Kolben K5 bis K9)« Dies hat zur Folge, daß sich bei Wechsel der Förderrichtung die ungleiche Lagerbelastung umkehrt. Die Messung der Lagerkraft, vorzugsweise im hochdruckseitigen Schwenklager bzw. Zapfen der Pumpe, ergibt ein dem Druck bzw. dem Drehmoment proportionales Signal. Zur Messung dieses Signals wird - wie oben beschrieben - mindestens ein Zapfen 11 für die Aufnahme des magnetoelastischen Sensors 20 benutzt. Dieser Sensor macht sich den Effekt zunutze, daß sich die Permeabilität des Stahls unter Spannung durch Biegung, Torsion oder Schub ändert. Dabei werden die Spulenkerne 25 eines Transformator-Systems 10 so angeordnet, daß sich in dem durchfluteten Bereich die neutrale Zone der Biegespannungen befindet. Eine zusätzliche Messung des Einflusses der Biegespannung würde unzulässig große Fehler ergeben. An der Primärspule 31 wird nun eine konstante Spannung angelegt. An den beiden äußeren Sekundärspulen 28, 29 wird die Meßspannung abgegriffen. Dabei werden die Sekundärspulen so geschaltet, daß der Sensor nach der Differenzmeßmethode arbeitet. Wie in Figuren h und 5 näher gezeigt ist, bilden sich zwischen den Schenkeln 26, 30 magnetische Flußlinien 60 sowie zwischen den Schenkeln 27, 30 magnetische Flußlinien 61 im Zapfen 11 aus. Im Bereich dieser magnetischen Flußlinien wirken im Material des Zapfens infolge der auftretenden Schubspannung zwischen den Schenkeln 26, 30 eine Zugspannung 62 sowie zwischen den Schenkeln 27, 30 eine Druckspannung 63. Ändert sich die Kraftrichtung, dann wechseln auch Zug- und Druckspannung

und damit die Richtung des elektrischen Signals * Wegen der Magnetoelastizität des Materials wird im Bereich der Zugspannung 62 die Permeabilität des Zapfens 11 erhöht, während sie im Bereich der Druckspannung o3 abnimmt. Die Folge davon ist eine Kopplungsänderung zwischen der Primärspule 31 und den Sekundärspulen 28, 29, wodurch eine zu der jeweils auftretenden Zugkraft proportionale Meßspannung abgegriffen werden kann. Mit Hilfe der Führungsstange 3*+ und der Deckscheibe 32 läßt sich dabei erreichen, daß der Magnetkern 25 stets in einer solchen Lage gehalten wird, daß eine Winkelhalbierende 6k zwischen dem mittleren Schenkel 30 und einem äußeren Schenkel 26 im wesentlichen senkrecht zur Linie 35 verläuft, wie dies aus Figur 3 näher ersichtlich ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die magnetischen Flußlinien 60, 61 in einem Bereich des Zapfens 11 verlaufen, in dem der Einfluß der Schubspannung am größten und der Einfluß der Biegespannungen vernachlässigbar ist, d. h. in der neutralen Zone N. Durch die Anordnung des Magnetkerns 25 mit seinen Spulen im Inneren des Zapfens wird zudem eine hohe Signalausbeute begünstigt, weil der Schubspannungsverlauf 65 in einer Rohrwand von außen nach innen ansteigt, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Diese Schubspannungsmessung kann - wie oben beschrieben zum Messen des Förderdrucks verwendet werden und gibt, wie im Wandler 37 angedeutet, eine von der Lagerkraft abhängige Spannung U_p.

Bei einer Umkehr der Förderrichtung bei gleicher Drehrichtung des Antriebs werden Hochdruck und Wiederdruckseite vertauscht. Gleichzeitig ändert das Ausgangssignal des Wegaufnehmers Hj für die Schwenkscheibenstellung Signalbetrag bzw. sein Vorzeichen. Bei Verwendung nur

Ji

eines magnetoelastischen Sensors für die Lagerkraft bedeutet die Umkehr der Förderrichtung, daß der Zusammenhang zwischen Förderdruck bzw. Lagerkraft und Kraftauf— nehmer - Ausgangsspannung sich ändert. Im Signalzweig zwischen dem elektronischen Steuergerät 58 und dessen Anschluß 68 für die Leitung 69 zum Wandler 37 ist deshalb ein Anpaßglied TO angeordnet. Dieses erhält aus dem Wegaufnehmersignal UT' +U₀ die Information für .die Schwenkscheibenstellung und beeinflußt damit die Empfindlichkeit, dargestellt durch das Verhältnis

^UPE

Sind in beiden Zapfen magnetoelastische Sensoren angeordnet, so kann selbstverständlich das Anpaßglied TO entfallen.

Für die Ermittlung der Leistung ist auch noch eine Information über die Drehzahl der Pumpe notwendig. Diese wird auf folgende Weise vorgenommen: Wie bereits oben beschrieben, werden die Zapfen 11, 12 durch die Schwenkscheibe 13 mit einer druckproportionalen Kraft beaufschlagt. Dieser Kraft ist eine Pulsation überlagert, hervorgerufen durch die Druckwechsel in den die Kolben 16 aufnehmenden Zylinderräumen bei der Kommutierung der Steuerscheibe. Bei hohem Förderdruck beträgt die Amplitude etwa +_ 13 % Gesamtkraft, aber selbst bei kleinen Lastdrücken entstehen z. B. durch Vorkompression der Zylinderräume Lastwechsel auf den Lagern 1k. Die Frequenz hängt von der Drehzahl und Kolbenzahl ab. Bei einer Pumpe mit 9 Kolben beträgt sie

Q_n

„ _ -7-T Hz, wobei η die Drehzahl ist.

Zur Drehzahlmessung wird die pulsierende Ausgangsspannung Up des Wandlers 37 über den Differenzierer 72 und den Wandler 73 in eine drehzahlabhängige Ausgangsspannung U.. in der Leitung 7^ umgewandelt. Der Mittelwert der Spannung ergibt die Druckinformation siehe weiter oben - die Pulsationsfrequenz ergibt die Drehzahlinformation. Sie wird zu Differenzierer 72 in Rechtecksignale umgewandelt und im Digital-Analogwandler verarbeitet.

Die Istwertsignal für Fördermenge und Leistung werden in bekannter Weise durch Multiplikation von Schwenkscheibenstellung, Druck- und Drehzahl in den Multiplizierern .76, 77 gewonnen. Dabei erzeugt der Multiplizierer 77 Signale für Hubvolumen und für Drehzahl als Ausgangswert für die Fördermenge in Leitung 79t Das Signal für Druck in der Leitung 78 und Fördermenge in Leitung 79 ergeben im Multiplizierer 76 ein Signal für die momentane Leistung.

Sind z. B. für die Verstellung der Schwenkscheibe 13 zwei Stellmotoren vorgesehen und so geschaltet, daß sie wie ein doppeltwirkender Stellmotor arbeiten, dann erfolgt deren Druckmittel-Ansteuerung zweckmäßigerweise über ein U/3-Stet igventil. Dieses hat folgende Merkmale-: Mittenjustierung mit vorgespannten Federn zwecks fail safe; Betätigung mit Proportionalmagneten.

Das elektronische Steuergerät 58 weist Programme für Drucksteuerung, Volumensteuerung, Drehzahlsteuerung und Leistungssteuerung auf. Die gewünschten Signale werden über die Leitungen 56, 57 - wie oben beschrieben - der elektromagnetischen Ansteuerung eingegeben.

Durch die vorgeschlagene Einrichtung können auf sehr einfache Weise sämtliche Parameter der Pumpe ermittelt, verarbeitet und die Pumpe in jeder gewünschten Weise gesteuert oder geregelt werden.

Anstatt des magnetoelastischen Sensors 20 können im
Zapfen oder an dessen Oberfläche auch Dehnmeßstreifen in dessen neutraler Zone angeordnet sein. Sie messen dieselben Werte und gebehn sie auch in derselben Weise weiter wie oben beschrieben.

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Claims

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18.2.1982 Wd/Kc

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

λ) Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln von Druck, Drehzahl, Leistung und Förderstrom sowie mit Mitteln zum Messen und Verarbeiten dieser Parameter einer verstellbaren Axialkolbenmaschine, deren Schwenkscheibe mittels zwei einander diametral gegenüberliegender und in gehäusefesten Lagern gelagerte Zapfen versehen ist, und die Parameter zwecks "Signalverarbeitung einem elektronischen Steuergerät eingespeist werden, das Ausgangssignale liefert, die über Steuerglieder Stellmotoren für die Einstellung der Schwenkscheibe steuern, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Zapfen (11, 12.) bzw. einem Zapfenlager 1 U ein Sensor (20) angeordnet ist, der elektrische Signale über Druck und Drehzahl der Maschine erzeugt und diese Signale über eine geeignete elektronische Signalverarbeitung dem elektronischen Steuergerät (58) einspeist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (20) als Transformatorgeber ausgebildet ist und nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeitet.
3- Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (11, 12) aus weichmagnetischem Werkstoff besteht und Teil des magnetoelastischen Sensors (20) bildet und daß der Zapfen einen Hohlraum (22) aufweist, in dem ein Magnetkern (25) mit wenigstens einer Spule (28, 29₉ 31) angeordnet ist.
h. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Primärspule (31) und wenigstens eine Sekundärspule (28, 29) tragenden Schenkel (26, 27» 30) miteinander einen insbesondere rechten Winkel bilden, dessen Winkelhalbierende (6^) mindestens nahezu senkrecht zur Krafteinwirkungsrichtung verläuft.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (25) zwei ein Arbeiten nach der Differenzmethode erlaubende Schenkel (26, 27) mit Sekundärspulen (28, 29) aufweist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (25) im Hohlraum axial verstellbar angeordnet ist.
7· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern im Hohlraum in seiner Winkellage verstellbar angeordnet ist,
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des Sensors (20) einen Frequenz- und/oder Druck-Spannungswandler (37) einge-

speist werden und von diesem zum elektronischen Steuergerät (58) weitergeleitet werden, gegebenenfalls über ein elektronisches Anpaßglied (TO) für die Winkellage der Schwenkscheibe«
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage der Schwenkscheibe (13) über einen Aufnehmer (kj) und einen Weg-Spannungswandler (U7¹) dem elektronischen Steuergerät (58) eingegeben wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 9s dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage der Schwenkscheibe über ein Hebelgestänge (^0, kl) sowie über einen Nocken (hk) zum Wegaufnehmer (U7) weitergeleitet wird.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (U7) in einem auf der Maschine angeflanschten Gehäuse (k2) angeordnet ist und auf diesem wiederum ein elektromagnetisch betätigbares Mehrwegeventil - insbesondere Stetigventil, das Druckmittel von einem Hilfskreis (18) über Kanäle (51 bis 53) zu wenigstens einem die Schwenkscheibe betätigenden hydraulischen Stellmotor leitet.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Signale über den Druck und das Fördervolumen über Multiplizierer (77, 78) zur Leistungsdarstellung der Maschine dem Steuergerät (58) eingespeist werden.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Dehnmeßstreifen ist, der in der neutralen Zone der Schwenkzapfen angeordnet ist, entweder in seinem Inneren oder an seiner Oberfläche.