DE4003298A1 - Hydraulische verdraengermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Verdrängermaschine (Pumpe oder Motor) mit einem Rotor und mindestens einer mit einer Flüssigkeitszuleitung und einer Flüssigkeitsableitung versehenen Kammer in einem Gehäuse, die durch mindestens eine gegenüber den Kammerwänden abgedichtete und relativ zu dieser bewegbare Trennwand unterteilt ist.

Nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Flüssigkeitspumpen oder -motore, hier zusammenfassend als hydraulische Verdrängermaschine bezeichnet, werden in unterschiedlichen Ausführungsformen gebaut, beispielsweise als Flügelpumpen oder Flügelmotoren. Ihnen ist gemeinsam, daß dem durch die Trennwand in der Kammer des Gehäuses abgeteilten Raum Flüssigkeit zugeführt oder daraus abgeführt wird, wobei sich das Volumen dieses abgetrennten Raums ändert. Hierzu sind außer dem relativ zu der Kammer bewegten Rotor weitere bewegte Teile erforderlich. Beispielsweise müssen sich bei einer Flügelzellenpumpe die die Trennwände bildenden Flügel radial zu dem Rotor bewegen, um eine Veränderung des Zellenvolumens zu ermöglichen. Bei Rotationskolbenpumpen sind zwei miteinander in dichtenden Eingriff tretende Rotationskolben erforderlich.

Zusätzliche bewegte Teile sind erforderlich, wenn die bekannten Verdrängermaschinen steuerbar ausgeführt sein sollen, beispielsweise Pumpen mit steuerbarem Volumenstrom oder Motoren mit steuerbarer Drehzahl.

Die erforderlichen, über die reine Drehbewegung des Rotors relativ zu der Kammer hinausgehenden Bewegungen von Bauteilen erfordern einen erhöhten Bauaufwand und führen zu Verschleiß, wobei zu berücksichtigen ist, daß derartige Verdrängermaschinen in hydrostatischen Anlagen häufig für verhältnismäßig hohe Drücke ausgelegt werden, die wiederum zu hohen Flächenpressungen im Dichtungsbereich führen.

Eine weitere Schwierigkeit bekannter steuerbarer hydraulischer Verdrängermaschinen besteht darin, daß die Steuervorgänge für viele Anwendungsfälle nicht schnell genug ausgeführt werden können. Insbesondere im Bereich von Servoeinrichtungen verschiedener Bauart werden oftmals sehr kurze Steuerzeiten verlangt, beispielsweise um Hydraulikzylinder hochdynamisch, d. h. beispielsweise mit einer Frequenz bis zu 1000 Hz und gleichwohl präzise hinsichtlich Weg, Kraft, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu steuern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, hydraulische Verdrängermaschinen der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem konstruktivem Aufbau außer der Relativbewegung zwischen Rotor und Kammer keine bewegten Teile aufweisen und die sowohl als Pumpe wie auch als Motor eine hochdynamische Steuerung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einander gegenüberliegende Stirnwände der Kammer jeweils mehrere Kondensatorplattensegmente aufweisen, an die mittels einer elektrischen Steuerung jeweils paarweise eine elektrische Spannung anlegbar ist, daß die Kammer mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist und daß die Flüssigkeitszuleitung und die Flüssigkeitsableitung auf entgegengesetzten Seiten der Trennwand münden.

Durch die Verwendung einer elektroviskosen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit der hydraulischen Verdrängermaschine wird es ermöglicht, bei der Relativdrehung zwischen dem Rotor und der Kammer innerhalb der Kammer allein durch Anlegen einer elektrischen Spannung an bestimmte Kondensatorplattensegmente eine Abtrennung eines Teils der Kammer gegenüber dem übrigen Kammervolumen nach Art einer Trennwand zu erreichen. Da diese Abtrennung auf elektrischem Wege sehr rasch verändert werden kann, ist es möglich, während der Relativdrehung zwischen dem Rotor und der Kammer eine ständige Volumenänderung der vor bzw. hinter der Trennwand befindlichen Räume zu erreichen. Auf diese Weise läßt sich ohne weitere bewegte Teile eine bei kontinuierlicher Drehung arbeitende hydrostatische Verdrängermaschine (Pumpe oder Motor) verwirklichen, die nahezu verzögerungsfrei gesteuert werden kann.

Der Einsatz von elektroviskosen Flüssigkeiten zur Steuerung und Regelung ist bekannt (DE-OS 36 09 861). Das dabei angewendete Funktionsprinzip besteht darin, in einem die elektroviskose Flüssigkeit enthaltenden Strömungskanal eine elektrische Spannung an Kondensatorplatten anzulegen, wodurch eine Veränderung der Viskosität der dazwischen angeordneten elektroviskosen Flüssigkeit bis hin zu einer Erstarrung ermöglicht wird.

Elektroviskose Flüssigkeiten sind Dispersionen feinverteilter hydrophiler Feststoffe in Hydrophoben elektrisch nicht leitenden Ölen. Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes kann die Viskosität der Flüssigkeit sehr schnell bis hin zur Erstarrung verändert werden. Durch die Verwendung eleketroviskoser Flüssigkeiten ist ist es möglich geworden, hydraulische Systeme ohne bewegte Teile auszuführen bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verringern. Bekannt ist der Einsatz bei Hydraulikventilen, Hydraulikzylindern, Vibratoren, Viskositätskupplungen, Stoßdämpfern oder Motorlagern (US-PS 26 61 596, US-PS 39 84 086, US-PS 24 17 850, DE-OS 31 28 959, US-PS 32 07 269, EP- OS 1 37 112).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer hydraulischen Verdrängermaschine (Pumpe oder Motor) gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trennwand ein mit dem Rotor verbundener Flügel ist, der zwischen den gehäusefesten Stirnwänden der Kammer mit dem Rotor drehbar und dichtend aufgenommen ist, und daß die Flüssigkeitszuleitung und die Flüssigkeitsableitung durch den Rotor hindurch zu entgegengesetzten Seiten des Flügels geführt sind. Vor und hinter dem sich in der Kammer drehenden Flügel ist in der Kammer jeweils ein mit der Flüssigkeitszuleitung bzw. der Flüssigkeitsableitung verbundener Raum dadurch abgetrennt, daß im Abstand zu dem Flügel, bei einer einflügeligen Ausführung beispielsweise jeweils auf der dem Flügel gegenüberliegenden Seite, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kondensatorplattensegmenten eine Absperrung geschaffen wird, die für die in dem Raum befindliche Flüssigkeit eine Wand darstellt. Während sich der Flügel dreht, wandert die auf elektrische Weise in der Flüssigkeit erzeugte Wand ebenfalls in Umfangsrichtung des Rotors.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der Rotor mindestens zwei Rotorscheiben aufweist, die die mit Kondensatorplattensegmenten versehenen Stirnwände der Kammer bilden, daß die Trennwand zwischen diesen beiden Stirnwänden gehäusefest angeordnet und daß die Flüssigkeitszuleitung und die Flüssigkeitsableitung im Gehäuse zu entgegengesetzten Seiten der Trennwand geführt sind.

Gegenüber der vorher beschriebenen Bauweise besteht hierbei der Vorteil, daß die Flüssigkeitsleitungen durch das feststehende Gehäuse geführt werden können und daß es stattdessen nur erforderlich ist, in konstruktiv einfacherer Weise die elektrischen Zuleitungen zu den Kondensatorplattensegmenten über den sich drehenden Rotor zu führen.

Da die Steuerung der Verdrängermaschine ohne bewegliche Bauteile allein auf elektrischem Wege erfolgt, ist eine sehr schnelle Umsteuerung möglich, beispielsweise zwischen Pumpenbetrieb und Motorbetrieb. Ebenso können Druck und Durchflußmenge bzw. Drehzahl sehr rasch gesteuert werden. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine liegt somit in ihrer hohen Dynamik und ihrem einfachen, weitestgehend verschleißfreien Aufbau. Die in dieser Weise steuerbare Verdrängermaschine verbindet beispielsweise die Funktionen einer Pumpe und eines Servoventils. Damit können sehr einfache Dreh- und Schwenkantriebe verwirklicht werden, die mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können. Derartige Antriebe sind für die Automatisierungstechnik bzw. Robotertechnik von erheblicher Bedeutung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine hydraulische Verdrängermaschine in einer Ausführung als Flügelpumpe in einem Axialschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer hydraulischen Verdrängermaschine als Pumpe in einem Axialschnitt und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Verdrängermaschine wird beispielsweise beim Pumpenbetrieb erläutert. In einem Gehäuse 1 ist ein Rotor 2 gelagert, der von einem nur schematisch angedeuteten Motor 3 angetrieben wird. Im Gehäuse 1 sind zwei Kammern 4 ausgebildet, die axial im Abstand zueinander liegen.

In jeder Kammer 4 sind die einander gegenüberliegenden Stirnwände 5 mit Kondensatorplattensegmenten 6 versehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt jede Stirnwand 4 gegeneinander und gegen das Gehäuse 1 elektrisch isolierte Kondensatorplattensegmente 6, die über elektrische Leitungen 7 mit einer elektrischen Steuereinrichtung 8 verbunden sind.

In jeder Kammer 4 läuft ein mit dem Rotor 2 verbundener Flügel 9 um, der gegenüber den Wänden der Kammer 4 abgedichtet ist. Eine Saugleitung oder Flüssigkeitszuleitung 10 führt von einem Flüssigkeitsvorratsbehälter 11 durch das Gehäuse 1 zu einer Ringnut 23, aus der ein Kanal 12 im Rotor 2 zu einer Mündung 13 an der Rückseite (in Umdrehungsrichtung gesehen) des Flügels 9 führt.

Von der Vorderseite des Flügels 9 führt ein Kanal 14 durch den Rotor 2 zu einer Ringnut 15, von der eine Flüssigkeitsableitung 16 durch das Gehäuse 1 zu einem in Fig. 1 nur angedeuteten Verbraucher 17 führt. In gleicher Weise erfolgt die Flüssigkeitszufuhr und- abfuhr zu der zweiten Kammer 4 bzw. aus dieser heraus.

In der einen Ringspalt bildenden Kammer 4 befindet sich eine elektroviskose Flüssigkeit. Wenn über die Steuereinrichtung 8 eines der Paare von einander gegenüberliegenden Kondensatorplattensegmente 6 eine elektrische Spannung erhalten, erstarrt die elektroviskose Flüssigkeit zwischen diesen beiden Kondensatorplattensegmenten, so daß die Kammer 4 in diesem Umfangsbereich abgedichtet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei einer Drehung des Flügels 9 in Richtung des Pfeiles 18 in Fig. 2 beispielsweise die einander gegenüberliegenden Kondensatorplattenelemente 6′ mit Spannung versorgt, so daß die Kammer 4 in diesem Bereich abgedichtet wird. Der sich bewegende Flügel 9 saugt somit an seiner Rückseite Flüssigkeit aus der Flüssigkeitszuleitung 10 an und verdichtet an seiner Vorderseite die Flüssigkeit, die daher durch den Kanal 14, die Ringnut 15 und die Flüssigkeitsableitung 16 zum Verbraucher 17 gedrückt wird. Während der weiteren Drehung des Flügels 9 wird die elektrische Beaufschlagung der Kondensatorplattensegmente 6 so umgesteuert, daß als nächstes die beiden Kondensatorplattensegmente 6′′ angesteuert werden.

Der Flüssigkeitsdruck in dem Raum vor dem Flügel 9 wird dadurch bestimmt, wie die elektroviskose Flüssigkeit zwischen den Kondensatorplattensegmenten 6 elektrisch festgehalten werden kann. Würde der erzeugte Druck größer, so würde der zwischen den beaufschlagten Kondensatorplattensegmenten 6 erzeugte Pfropfen von erstarrter Flüssigkeit weitergedrückt. Dadurch ergibt sich eine automatische Druckbegrenzung. Um die Pumpwirkung und die Saugwirkung aufrechtzuerhalten, läuft die elektrische Erregung der Kondensatorplattensegmente 6 entsprechend der Drehbewegung des Flügels 9 um. Entsprechend der angelegten Spannung kann der Druck der Pumpe geregelt werden. Soll der Durchfluß geregelt werden, so kann dies durch eine Pulsmodulation der angelegten Spannung geschehen. Der erzielte mittlere Durchfluß kann über die Pulszeit und/oder die Pulsfrequenz geregelt werden.

Die Steuereinrichtung 8 erhält ein Signal von einem Rotorlage­ geber 21 damit jeweils das richtige Kondensatorplattensegment 6 entsprechend der Lage des Flügels 9 elektrisch erregt ist.

Der Flügel 9 weist in seinen den Stirnwänden 5 der Kammer 4 zugekehrten Fläche hydrostatische Lager 19 auf, deren Lagertaschen über eine hydraulische Drossel 20 mit der Druckseite des Flügels 9 verbunden sind. Das hydrostatische Lager 19 bewirkt eine gute hydraulische Zentrierung des Flügels 9 zwischen den Seitenwänden der Kammer 4.

Wie am Beispiel nach den Fig. 1 und 2 gezeigt, können auf einem gemeinsamen Rotor 2 mehrere Flügel 9 in jeweils gesonderten Kammern 4 angeordnet sein. Stattdessen ist es auch möglich, die Verdrängermaschine mit nur einer Kammer 4 auszuführen bzw. in jeder Kammer 4 mehrere Flügel 9 vorzusehen.

Bei der dargestellten Ausführung einer Pumpe mit zwei Kammern 4 können diese beiden Kammern 4 wie dargestellt jeweils als selbständige Pumpen betrieben werden. Stattdessen ist es auch möglich, die beiden Kammern 4 (oder mehrere Kammern) als Pumpenstufen hintereinanderzuschalten, wobei durch pulsförmiges Ansteuern ein kontinuierlicher Durchfluß gefördert werden kann.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, die Pumpe als Doppelpumpe zu betreiben, die gleichzeitig als Servopumpe zur Ansteuerung von Differentialzylindern oder Gleichlaufzylindern Anwendung findet, indem je eine Pumpenstufe (oder auch parallelgeschaltete Pumpengruppe) auf je eine Zylinderkammer eines doppelwirkenden Hydraulikzylinders (nicht dargestellt) wirkt. Je nach der gewünschten Bewegung des Hydraulikzylinders kann eine der Pumpenstufen für Zulauf und die andere Pumpenstufe für Rücklauf eingestellt werden. Zur Einstellung auf Rücklauf wird in der Kammer 4 kein Kondensatorplattensegment mit Spannung beaufschlagt, so daß die Flüssigkeit von der Leitung 13 zur Leitung 14 durch die Kammer 4 frei strömen kann und keine Stopfenbildung innerhalb der Kammer 4 erfolgt.

In den Fig. 3 und 4 ist eine gegenüber der beschriebenen Ausführungsform abgewandelte Ausführungsform dargestellt, wobei entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Hierbei weist der Rotor 2 drei Rotorscheiben 22 auf, die die mit Kondensatorplattensegmenten 6 versehenen Stirnwände 5 der Kammer 4 bilden. Eine Trennwand 9′, die in ihrer Funktion dem Flügel 9 beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 entspricht, ist hierbei gehäusefest angeordnet und ragt zwischen den Stirnwänden 5 dichtend bis zum Rotor 2. Die Flüssigkeitszuleitung 10 und die Flüssigkeitsableitung 16 werden hierbei durch das Gehäuse 1 zu entgegengesetzten Seiten der Trennwand 9′ geführt. Die elektrischen Zuleitungen 7 werden beispielsweise über Schleifringe 24 oder durch induktive Übertragung durch den Rotor 2 zu den Kondensatorplattensegmenten 6 geführt.

Während der Drehung des Rotors 2 wird an der der Trennwand 9′ abgekehrten Seite zwischen den Rotorscheiben 22 durch Anlegen einer Spannung an die dort angeordneten Kondensatorplattensegmente 6 eine Abtrennung in der Kammer 4 hergestellt. Jeweils in einem der beiden so abgeteilten Räume der Kammer 4 wird durch die Drehung des Rotors 2 ein Druck aufgebaut.

Die beschriebene Verdrängermaschinen könnten bei mechanisch gleichem Aufbau auch als Motor betrieben werden. Hierzu wird auf der einen Seite des Flügels 9 bzw. der Trennwand 9′ Flüssigkeit unter Druck zugeführt, so daß ein Drehmoment auf den Rotor 2 ausgeübt wird.

Claims (6)

1. Hydraulische Verdrängermaschine (Pumpe oder Motor) mit einem Rotor und mindestens einer mit einer Flüssigkeitszuleitung und einer Flüssigkeitsableitung versehenen Kammer in einem Gehäuse, die durch mindestens eine gegenüber den Kammerwänden abgedichtete und relativ zu diesen bewegbare Trennwand unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüberliegende Stirnwände (5) der Kammer (4) jeweils mehrere Kondensatorplattensegmente (6) aufweisen, an die mittels einer elektrischen Steuerung (8) jeweils paarweise eine elektrische Spannung anlegbar ist, daß die Kammer (4) mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist und daß die Flüssigkeitszuleitung (10) und die Flüssigkeitsableitung (16) auf entgegengesetzten Seiten der Trennwand (9, 9′) münden.

2. Hydraulische Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand ein mit dem Rotor (2) verbundener Flügel (9) ist, der zwischen den gehäusefesten Stirnwänden (5) der Kammer (4) mit dem Rotor (2) drehbar und dichtend aufgenommen ist, und daß die Flüssigkeitszuleitung (10) und die Flüssigkeitsableitung (16) durch den Rotor (2) hindurch zu entgegengesetzten Seiten des Flügels (9) geführt sind.

3. Hydraulische Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) mindestens zwei Rotorscheiben (22) aufweist, die die mit Kondensatorplattensegmenten (6) versehenen Stirnwände (5) der Kammer (4) bilden, daß die Trennwand (9′) zwischen diesen beiden Stirnwänden (5) gehäusefest angeordnet ist und daß die Flüssigkeitszuleitung (10) und die Flüssigkeitsableitung (16) im Gehäuse (4) zu entgegengesetzten Seiten der Trennwand (9′) geführt sind.

4. Hydraulische Verdrängermaschine nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß axial nebeneinander mehrere Kammern (4) angeordnet sind, in denen sich jeweils mindestens ein Flügel (9) bzw. eine Trennwand (9′) befindet.

5. Hydraulische Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9 bzw. 9′) mindestens in ihren den Stirnwänden (5) der Kammer (4) zugekehrten Flächen hydrostatische Lager (19) aufweist, deren Lagertaschen über eine hydraulische Drossel (20) mit der Druckseite der Trennwand (9 bzw. 9′) verbunden sind.

6. Hydraulische Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnwand (5) der Kammer (4) in vier Kondensatorplattensegmente (6) unterteilt ist.