EP0807212A2 - Vorrichtung zum ansteuern eines hydrostatischen antriebes - Google Patents

Vorrichtung zum ansteuern eines hydrostatischen antriebes

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EP0807212A2
EP0807212A2 EP96901186A EP96901186A EP0807212A2 EP 0807212 A2 EP0807212 A2 EP 0807212A2 EP 96901186 A EP96901186 A EP 96901186A EP 96901186 A EP96901186 A EP 96901186A EP 0807212 A2 EP0807212 A2 EP 0807212A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
resonance
resonance tube
tube
switching
Prior art date
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Granted
Application number
EP96901186A
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English (en)
French (fr)
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EP0807212B1 (de
Inventor
Rudolf Scheidl
Werner Leitner
Gerald Riha
Dietmar Schindler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Rexroth AG
Original Assignee
Mannesmann Rexroth AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann Rexroth AG filed Critical Mannesmann Rexroth AG
Publication of EP0807212A2 publication Critical patent/EP0807212A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0807212B1 publication Critical patent/EP0807212B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/20—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of a vibrating fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/12—Fluid oscillators or pulse generators

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a hydrostatic drive with a periodically actuated switching valve, which connects a resonance tube connected to the hydrostatic drive to form standing pressure waves of the hydraulic fluid under resonance conditions alternately to a pressure fluid supply line and to a return line.
  • the invention is therefore based on the object of designing a device for controlling a hydrostatic drive of the type described at the outset using simple constructional means so that the working pressure for the drive is independent of its working path between the maximum pressure offered via the hydraulic medium supply line and the pressure of the return line can be set, with a high degree of efficiency and good dynamics.
  • the invention solves this problem in that the resonance tube has a pressure output in an oscillation node of the standing pressure waves and in that the switching times of the switching valve can be controlled while the switching frequency remains the same.
  • the arrangement of the pressure output in an oscillation node of the pressure waves means that the pressure waves of the orders assigned to this node can be suppressed at the pressure output, so that the pulsation of the working pressure at the pressure output is comparatively low despite pulsed activation.
  • the resonance tube connected to the control valve forms a main resonator, at the pressure output of which at least one secondary resonator with a resonance tube connects, which in turn has a pressure output in an oscillation node which has standing pressure waves which form in this resonance tube, and that the resonance tube of the main resonator is either connected in parallel with an additional resonance tube or can be connected at both ends to the pressure medium supply line and the return line via switching valves which can be actuated in opposite directions is.
  • At least two secondary resonators are provided, these are each to be connected to the pressure output of the preceding resonator and, with the exception of the secondary resonator on the output side, to be formed from a parallel connection of at least two resonance tubes, one of which has the pressure output for connecting the subsequent resonator, and thus also in the region of the secondary resonators, the resonance conditions for the pressure waves forming in their resonance tubes can be met. With each additional secondary resonator, higher order pressure waves can be suppressed, so that the remaining ripple can be adapted to the respective tolerance ranges.
  • the mutual spatial arrangement of the resonance tubes connected in parallel plays no role in the operation of this parallel connection.
  • the resonance tubes connected in parallel can therefore be arranged in accordance with the respective space available. Particularly simple, space-saving design conditions result in this connection if the resonance tubes connected in parallel enclose one another coaxially.
  • the control valve can be assigned a control device for tracking the switching frequency to the possibly changing resonance frequency of the resonator connected directly to the control valve .
  • the main resonator can be used for a specific measuring location pressure setpoint determined in a certain position of the switching valve is given, which is compared with the actual pressure determined at this measuring location at the corresponding switching valve position, so that any setpoint / actual value difference that may occur can be corrected by adjusting the switching frequency of the switching valve.
  • Another possibility is to monitor the position of an oscillation node of the standing pressure waves. If the switching frequency of the switching valve remains the same, a change in the resonance frequency causes the node to shift, so that pressure fluctuations are detected at the original node, which can be used to adjust to the resonance frequency by controlling the switching frequency of the switching valve.
  • the switching valve must ensure the switching frequencies which are comparatively high in order to maintain the resonance frequencies, specifically in the case of pressure pulses with flanks which are as steep as possible.
  • the switching valve it is proposed in a further embodiment of the invention to design the switching valve as a rotary piston valve with a rotary piston coaxially surrounding the resonance tube, the rotary piston arranged axially one behind the other in a housing, on the one hand with the hydraulic medium supply line and on the other hand with the return line passes through connected annular chambers and in the area of these annular chambers has control edges forming through-openings which cooperate with through-openings of the resonance tube, the release of which can be controlled for the switching times by a rotatable control sleeve with control edges.
  • the speed of rotation of this rotary piston valve determines the switching frequency of the switching valve, so that the switching frequency can be controlled very easily via the rotary drive.
  • the rotary piston opens and closes the through openings of the resonance tube alternately in the area of the two housing chambers, the switching times being additionally adjustable by means of the control sleeve, which is rotatably adjustable relative to the resonance tube and which sooner or later releases the through openings in the resonance tube via its control edges. With the help of this control sleeve, the pressure pulse width and thus the desired working pressure can be adjusted in a simple manner.
  • the fluid friction results in losses within the resonance tubes, which result in a reduction in efficiency.
  • the friction losses which occur as a result of a relative movement between the hydraulic medium and the tubular body can be largely prevented if the tubular body of the resonance tube or the resonance tubes is formed orthotropically with a greater rigidity in the circumferential direction compared to the axial direction.
  • the lower axial rigidity of the tubular body allows it to be taken along by the hydraulic medium and thus to reduce the friction losses.
  • an immovable fixing of the tube ends must be ensured.
  • the tubular body of the resonance tube or the resonance tubes can consist of a corrugated tube.
  • plastic pipes in a correspondingly orthotropic manner, although care must be taken to ensure that the dissipation in the pipe body itself remains as small as possible.
  • the expansion behavior of the tubular body in the circumferential and longitudinal directions can also be coordinated with one another in such a way that a corresponding change in length of the tubular body arises as a result of a circumferential expansion caused by the liquid pressure and the associated shortening. If the negative longitudinal expansion of the tubular body corresponds to the liquid compression at a given hydraulic medium pressure, there is no ralative movement between the hydraulic medium and the tubular body.
  • Fig. 1 shows an inventive device for controlling a hydrostatic
  • FIG. 2 is a block diagram of an inventive device with a
  • FIG. 3 Main and two secondary resonators, FIG. 3 a device corresponding to FIG. 2 in a construction variant, FIG. 4 a further embodiment of a device according to the invention, FIG. 5 a resonator with orthotropic resonance tubes connected in parallel in a simplified axial section,
  • FIG. 6 shows a simplified axial section through a switching valve
  • FIG. 7 shows a section along the line Vll-Vll of FIG. 6
  • FIG. 8 shows a section along the line Vlll-Vlll of FIG. 6.
  • the device for controlling a hydrostatic drive 1, which is indicated as a working cylinder, has a switching valve 2, which is actuated periodically via a suitable drive 3.
  • This switching valve 2 connects a resonance tube 4 alternately with a hydraulic medium supply line 5 and a return line 6 to a prestressed hydraulic medium tank.
  • the length of the resonance tube 4 corresponds to an integral multiple of the wavelength of the pressure waves of the hydraulic medium which form in the resonance tube 4 and which spread over the length of the resonance tube 4 due to the pressure pulses resulting from the actuation of the switching valve.
  • the resonance tube 4 also forms a fixed reflection end for these pressure waves, pressure waves of different orders with resonance nodes arise in the resonance tube 4 under resonance conditions, in which the pressure waves passing through these nodes have no amplitude, so that through a pressure outlet 7 in the area of such a node, the pressure waves assigned to it are suppressed and the working pressure connected to this pressure outlet 7 is subjected to a working pressure which is subject to correspondingly lower fluctuations.
  • the working path of the drive 1 connected to the pressure output 7 has no influence on the resonance conditions in the resonance tube 4, which creates simple control conditions because of the switching times of the switching valve which determine the pressure pulse width 2 at a switching frequency matched to the resonance frequency, the effective value of the working pressure at the pressure outlet 7 can be set as desired between a maximum pressure corresponding to the pressure in the hydraulic medium supply line 5 and a minimum pressure corresponding to the pressure in the return line 6.
  • the influencing variables on the resonance conditions cannot always be regarded as constant.
  • the toughness and the compressibility of the hydraulic medium change with the temperature subject to fluctuations, so that the device must be adapted to the changing resonance conditions if the highest possible efficiency is desired.
  • This adaptation can be achieved comparatively simply by tracking the switching frequency of the switching valve 2, as is indicated schematically in FIG. 1.
  • the drive 3 for the switching valve 2 is controlled via a control device 8, which monitors a possible displacement of an oscillation node.
  • the pressure transducer 9 connected to the resonance tube 4 in the area of the node and a bandpass filter 10 matched to the frequency of the pressure waves passing through the node, the pressure amplitudes of the pressure waves associated with the vibration node associated with the displacement of the node can be detected and to control the switching valve drive 3 in the sense of tracking the switching frequency to the resonance frequency.
  • the band filter 10 can be matched to the respective switching frequency of the switching valve, which is illustrated in FIG. 1 by a control line 11 between the switching valve drive 3 and the band filter 10.
  • the pressure outlet 7 can be provided in the area of vibration nodes of the higher-order pressure waves, there are generally particularly favorable conditions in the area of a vibration node of the reason for the pressure vibrations, that is to say in the longitudinal center of the resonance tube 4.
  • the fundamental wave and suppresses the pressure waves with an odd atomic number at the pressure outlet 7.
  • the pressure output 7 of the Resonance tube 4, an additional resonance tube 12 and, if necessary, additional resonance tubes 13 are subsequently connected, in each case to the pressure outlet 7 of the immediately preceding resonance tube.
  • the resonance tubes are each formed with half the length of the upstream resonance tube, as shown in FIGS. 2 to 4.
  • the pressure harmonics of the orders 2, 6, 10, ... are suppressed at the pressure output 7 of the resonance tube 12 and the pressure harmonics of the orders 4, 12, 20, ... are suppressed at the pressure output 7 of the resonance tube 13, so that the residual fluctuations in the working pressure on Pressure output 7 of the resonance tube 13 turn out to be comparatively small. If necessary, this residual pulsation can be further reduced by adding additional resonance tubes.
  • a resonance tube 4a is connected in parallel with the resonance tube 4, so that this parallel connection of the resonance tubes 4 and 4a results in a main resonator A.
  • the secondary resonator B connected to the main resonator A consists of a parallel connection of the resonance tubes 12 and 12a. Such a parallel connection for the resonance tube 13 is not necessary for the secondary resonator C on the output side.
  • Another possibility of forming a fixed reflection end for the main resonator A, according to FIG. 3, is to provide a switching valve 2a actuated in the opposite direction to the switching valve 2 at the end of the resonance tube 4, so that the resonance tube 4 is connected on one side to the hydraulic medium supply line 5 and is connected at the other end to the return line 6 and vice versa, with the respective resonance frequency.
  • the resonance tubes can be formed orthotropically, with a correspondingly lower rigidity being required in the axial direction so that the tube body can be carried along by the hydraulic medium in the axial direction.
  • the resonance tubes consist of corrugated tubes, which is illustrated in FIG. 5 for the main resonator A. In such a case, it must of course be ensured that the pipe ends are held so that they cannot move, which is not shown in more detail for reasons of clarity.
  • the pressure outlet 7 is formed by a connecting sleeve 14 which is penetrated axially displaceably by the resonance tube 4. Since the connecting sleeve 14 surrounds the resonance tube 4 at a radial distance, the sealing is achieved by ring sleeves 15, which allow the relative displacement between the tube and the sleeve.
  • a housing 16 enclosing the resonance tube 4, in which a rotary piston 17 coaxial with the resonance tube 4 is rotatably mounted, which passes through two annular chambers 18 and 19 of the housing 16 arranged axially one behind the other and in the region of both annular chambers 18, 19 has control openings forming passage openings 20 which cooperate with passage openings 21 of the resonance tube 4.
  • a rotationally adjustable control sleeve 22 is mounted in the housing 16, which is provided with through openings 23 and control edges 24 formed by these. This control sleeve 22 can be adjusted via a ring gear 25.
  • the passage openings 20 in the region of the annular chamber 18 connected to the hydraulic medium supply line 5 reach the region of the passage openings 21 of the resonance tube 4, so that the resonance tube 4 is connected to the hydraulic medium supply line 5 until the control edges of the control sleeve 22 ensure that the passage openings 20 of the rotary piston 17 are closed in the region of the annular chamber 18.
  • the through openings 20 of the rotary piston 17 in the area of the annular chamber 19 connected to the return line 6 are opened by the associated control edges 24 until they come out of the area of the through openings 21 of the resonance tube 4, whereby an alternating connection of the resonance tube 4 to the Hydraulic medium supply line 5 and to the return line 6 is ensured.
  • the switching times are determined via the rotational position of the control sleeve 22 relative to the resonance tube 4, while the switching frequency for a given number of passage openings distributed over the circumference depends only on the rotational speed of the rotary piston 17.
  • the pulse width can therefore be adjusted as desired at a set switching frequency by rotating the control sleeve 22 to control the hydrostatic drive 1, which is reflected in a corresponding change in the working pressure at the pressure outputs 7.
  • annular chambers 18 and 19 are advantageous, in which pressure-elastic bodies can be used for this purpose, for example with compressed gas, for. B. nitrogen, filled ring hoses 27, which are indicated by dash-dotted lines in FIG. 6.

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Description

Vorrichtung zum Ansteuern eine? hydrostatischen Antriebes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern eines hydrostati¬ schen Antriebes mit einem periodisch betätigbaren Schaltventil, das ein mit dem hydrostatischen Antrieb verbundenes Resonanzrohr zur Ausbildung stehender Druckwellen des Hydraulikmittels unter Resonanzbedingungen abwechselnd an eine Druckmittelversorgungsleitung und an eine Rückleitung anschließt.
Um die Nachteile drosselgesteuerter hydrostatischer Antriebe, insbesondere die Drosselverluste, zu vermeiden, ist es bekannt, den Antrieb nicht kontinuierlich über ein Drosselventil, sondern periodisch an eine Hydraulikmittelversorgungs- leitung oder eine Rückleitung anzuschließen, und zwar über Schaltventile, zu denen je ein Rückschlagventil parallelgeschaltet ist. Das Öffnen des Schaltven¬ tils in der Hydraulikmittelversorgungsleitung bedingt eine Beschleunigung des Antriebes, dessen Massenträgheit beim Schließen dieses Schaltventiles zu einer Entspannung des kompressiblen Hydraulikmittels im Antriebsbereich bis auf einen Druck führt, der kleiner als der Schließdruck des Rückschlagventiles im Bereich der Rücklaufleitung ist, so daß über die Rücklaufleitung Hydraulikmittel angesaugt werden kann, bis das Schaltventil in der Versorgungsleitung wieder öffnet und sich der Vorgang wiederholt. Im Falle einer Nutzbremsung des An¬ triebes ergibt sich beim Schließen des Schaltventiles in der Rückleitung eine Druckerhöhung des antriebseitigen Hydraulikmittels auf ein den Schließdruck des Rückschlagventiles im Bereich der Versorgungsleitung übersteigendes Maß, was ein Rückpumpen des Hydraulikmittels in die Versorgungsleitung mit sich bringt. Dieser durch die gepulste Ansteuerung des Antriebes bedingte zusätzli¬ che Hydraulikmittelfluß bedingt eine entsprechende Energierückgewinnung und damit einen verbesserten Wirkungsgrad, der allerdings mit einer vergleichsweise geringen Dynamik und einem entsprechenden Konstruktionsaufwand erkauft wird.
Wird in einem einem hydrostatischen Antrieb vorgeschalteten Resonanzrohr die Ausbildung stehender Druckwellen des Hydraulikmittels unter Resonanzbedin¬ gungen sichergestellt, indem das Resonanzrohr über ein mit einer entsprechen- den Resonanzfrequenz betätigtes Schaltventil abwechselnd an eine Hydraulik¬ mittelversorgungsleitung und an eine Rückleitung angeschlossen wird, so gelingt bei solchen gepulsten Ansteuerungen eine einfache Energiespeicherung wäh¬ rend der Druckpulspausen, wie grundsätzliche Untersuchungen gezeigt haben. Allerdings zeigen diese bekannten Untersuchungen noch keine Lösung zur technischen Anwendung dieser Resonanzrohre bei der gepulsten Ansteuerung von hydrostatischen Antrieben, weil sich mit dem Arbeitsweg dieser Antriebe die Resonanzbedingungen für die Ausbildung der stehenden Druckwellen ändern und daher die Resonanzbedingungen nicht eingehalten werden können.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Steuern eines hydrostatischen Antriebes der eingangs geschilderten Art mit einfachen konstruktiven Mitteln so auszugestalten, daß der Arbeitsdruck für den Antrieb unabhängig von dessen Arbeitsweg zwischen dem über die Hydraulikmittelver¬ sorgungsleitung angebotenen Maximaldruck und dem Druck der Rückleitung eingestellt werden kann, und zwar bei einem hohen Wirkungsgrad und einer guten Dynamik.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß das Resonanzrohr einen Druckausgang in einem Schwingungsknoten der stehenden Druckwellen aufweist und daß die Schaltzeiten des Schaltventiles bei gleichbleibender Schaltfrequenz steuerbar sind.
Durch das Vorsehen eines Druckausganges in einem Schwingungsknoten der sich ausbildenden stehenden Druckwellen im Resonanzrohr kann zunächst an diesem Druckausgang ein Arbeitsdruck für den Antrieb zur Verfügung gestellt werden, ohne die Resonanzbedingungen durch den Arbeitsweg des Antriebes zu beeinflussen. Das feste Reflexionsende für die Druckwellen wird ja nicht durch den Antrieb gebildet, wie dies beim Anschluß des Antriebes an das Resonanz- rohrende der Fall ist. Dazu kommt, daß durch die Anordnung des Druckausgan¬ ges in einem Schwingungsknoten der Druckwellen die Druckwellen der diesem Knotenpunkt zugeordneten Ordnungen am Druckausgang unterdrückt werden können, so daß trotz einer gepulsten Ansteuerung die zeitliche Pulsation des Arbeitsdruckes am Druckausgang vergleichsweise gering ist. Bei Einhaltung der Resonanzbedingungen stellt sich außerdem ein gutes dynamisches Verhalten ein, weil wegen der Abhängigkeit des mittleren Arbeitsdruckes von der Weite der Druckpulse eine Arbeitsdruckverstellung lediglich eine entsprechende Verstel¬ lung der Schaltzeiten des Schaltventiles verlangt. Der zusätzliche Konstruktions¬ aufwand beschränkt sich im wesentlichen auf das Vorsehen eines geeigneten Resonanzrohres, dessen Länge in Abhängigkeit von der Länge der sich im Hydraulikmittel ausbildenden Druckwellen gewählt werden muß, so daß sich bei einer Schaltfrequenz gleich dem ganzzahligen Vielfachen jener Frequenz, die der doppelten Ausbreitungszeit der Druckwellen über das Resonanzrohr ent¬ spricht, stehende Druckwellen ausbilden.
Um die zeitliche Pulsation des dem Antrieb zur Verfügung gestellten Arbeits¬ druckes zusätzlich zu verringern, kann in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen werden, daß das an das Steuerventil angeschlossene Resonanzrohr einen Hauptresonator bildet, an dessen Druckausgang wenigstens ein Neben- resonator mit einem Resonanzrohr anschließt, das wiederum einen Druckaus¬ gang in einem Schwingungsknoten der sich in diesem Resonanzrohr ausbilden¬ den stehenden Druckwellen aufweist, und daß das Resonanzrohr des Hauptre¬ sonators entweder mit einem zusätzlichen Resonanzrohr parallelgeschaltet oder beiderends über gegensinnig betätigbare Schaltventile mit der Druckmittelversor- gungsleitung und der Rückleitung verbindbar ist. Mit Hilfe des Nebenresonators können Druckwellen höherer Ordnung unterdrückt werden, was sich in einer entsprechenden Glättung der Schwankungen des Arbeitsdruckes am Druckaus¬ gang des Nebenresonators bemerkbar macht. Bei einer einfachen Rohrver¬ zweigung sind die Druckschwingungen instabil. Für das angestrebte Reso- nanzverhalten müssen daher entsprechende Randbedingungen geschaffen werden. Zu diesem Zweck kann zum Resonanzrohr des Hauptresonators ein zusätzliches Resonanzrohr parallelgeschaltet werden, das die erforderlichen Resonanzbedingungen für den Hauptresonator erzwingt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, über ein zum eingangsseitigen Schaltventil gegensinnig betätigba¬ res Schaltventil am anderen Ende des Resonanzrohres für dieses ein festes Reflexionsende zu erzwingen.
Beim Vorsehen von wenigstens zwei Nebenresonatoren sind diese jeweils an den Druckausgang des vorhergehenden Resonators anzuschließen und mit Aus¬ nahme des ausgangsseitigen Nebenresonators aus einer Parallelschaltung von zumindest zwei Resonanzrohren zu bilden, von denen eines den Druckausgang zum Anschluß des nachfolgenden Resonators aufweist, damit auch im Bereich der Nebenresonatoren die Resonanzbedingungen für die sich in deren Reso- nanzrohren ausbildenden Druckwellen eingehalten werden können. Mit jedem zusätzlichen Nebenresonator lassen sich Druckwellen entsprechend höherer Ordnung unterdrücken, so daß die verbleibende Restwell igkeit an die jeweiligen Toleranzbereiche angepaßt werden kann.
Die gegenseitige räumliche Anordnung der parallelgeschalteten Resonanzrohre spielt für die Wirkungsweise dieser Parallelschaltung keine Rolle. Die parallelge¬ schalteten Resonanzrohre können daher entsprechend dem jeweiligen Raum¬ angebot angeordnet werden. Besonders einfache, platzsparende Konstruktions¬ verhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn die parallelgeschalte- ten Resonanzrohre einander koaxial umschließen.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist die genaue Einhaltung der Resonanzbedingun¬ gen für den Wirkungsgrad von erheblicher Bedeutung. Um eine Anpassung an die sich während des Betriebes verändernden Einflußgrößen, beispielsweise die temperaturabhängige Zähigkeit und Kompressibilität des Hydraulikmittels, zu erreichen, kann dem Schaltventil eine Regeleinrichtung zum Nachführen der Schaltfrequenz an die sich allenfalls ändernde Resonanzfrequenz des unmittel¬ bar an das Steuerventil angeschlossenen Resonators zugeordnet werden. Zu diesem Zweck kann dem Hauptresonator ein für einen bestimmten Meßort zu einer bestimmten Stellung des Schaltventiles ermittelter Drucksollwert vorgege¬ ben werden, der mit dem an diesem Meßort bei der entsprechenden Schaltventil¬ stellung bestimmten Istdruck verglichen wird, so daß eine allenfalls auftretende Soll-Istwertdifferenz über eine Verstellung der Schaltfrequenz des Schaltventiles ausgeregelt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Lage eines Schwingungsknotens der stehenden Druckwellen zu überwachen. Eine Ver¬ änderung der Resonanzfrequenz bedingt bei gleichbleibender Schaltfrequenz des Schaltventils eine Verlagerung des Knotenpunktes, so daß an dem ursprüng¬ lichen Knotenpunkt Druckschwingungen erfaßt werden, die durch eine Steuerung der Schaltfrequenz des Schaltventiles zur Angleichung an die Resonanzfrequenz ausgenützt werden können.
Das Schaltventil muß die zur Einhaltung der Resonanzfrequenzen vergleichs¬ weise hohen Schaltfrequenzen sicherstellen, und zwar bei Druckpulsen mit möglichst steilen Flanken. Um diesen Anforderungen zu genügen, wird in weite¬ rer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, das Schaltventil als Rotations¬ kolbenventil mit einem das Resonanzrohr koaxial umschließenden Rotations¬ kolben auszubilden, der in einem Gehäuse axial hintereinander angeordnete, einerseits mit der Hydraulikmittelversorgungsleitung und anderseits mit der Rückleitung verbundene Ringkammern durchsetzt und im Bereich dieser Ring¬ kammern Steuerkanten bildende, mit Durchtrittsöffnungen des Resonanzrohres zusammenwirkende Durchtrittsöffnungen aufweist, deren Freigabe durch eine drehverstellbare Steuerhülse mit Steuerkanten für die Schaltzeiten steuerbar ist. Die Drehgeschwindigkeit dieses Rotationskolbenventiles bestimmt die Schalt- frequenz des Schaltventiles, so daß die Schaltfrequenz sehr einfach über den Drehantrieb gesteuert werden kann. Der Rotationskolben öffnet und schließt die Durchtrittsöffnungen des Resonanzrohres abwechselnd im Bereich der beiden Gehäusekammern, wobei die Schaltzeiten zusätzlich durch die Steuerhülse eingestellt werden können, die gegenüber dem Resonanzrohr drehverstellbar gelagert ist und über ihre Steuerkanten die Durchtrittsöffnungen im Resonanz¬ rohr früher oder später freigibt. Mit Hilfe dieser Steuerhülse läßt sich somit die Druckpulsweite und damit der jeweils gewünschte Arbeitsdruck in einfacher Weise einstellen. Damit eine Ansteuerung des Antriebes unter möglichst konstanten Druckverhält¬ nissen im Bereich des Schaltventiles trotz der vergleichsweise hohen Schaltfre¬ quenzen sichergestellt werden kann, empfiehlt es sich, für eine entsprechende hydraulische Kapazität zu sorgen, was durch druckelastische Körper möglichst nahe beim Schaltventil erreicht werden kann. Zu diesem Zweck können in den Ringkammern des Gehäuses des Schaltventiles solche druckelastische Körper, vorzugsweise mit einem Druckgas gefüllte Schläuche, vorgesehen werden. Anstelle der mit einem Druckgasgefüllten Schläuche können auch mit einer Membrane abgedeckte Druckkammern angeordnet werden.
Durch die Flüssigkeitsreibung ergeben sich innerhalb der Resonanzrohre Ver¬ luste, die eine Verringerung des Wirkungsgrades nach sich ziehen. Die Rei¬ bungsverluste, die zufolge einer Relativbewegung zwischen dem Hydraulikmittel und dem Rohrkörper auftreten, können weitgehend unterbunden werden, wenn der Rohrkörper des Resonanzrohres bzw. der Resonanzrohre orthotrop mit einer gegenüber der axialen Richtung größeren Steifigkeit in Umfangsrichtung ausge¬ bildet ist. Die geringere axiale Steifigkeit des Rohrkörpers erlaubt seine Mit¬ nahme durch das Hydraulikmittel und damit eine Verringerung der Reibungsver¬ luste. Es muß allerdings beim Einsatz solcher orthotroper Rohre für eine unver- schiebbare Festlegung der Rohrenden gesorgt werden.
Um die geforderten orthotropen Eigenschaften zu erzielen, kann der Rohrkörper des Resonanzrohres bzw. der Resonanzrohre aus einem Wellrohr bestehen. Es ist aber auch möglich, Kunststoffrohre entsprechend orthotrop zu fertigen, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß die Dissipation im Rohrkörper selbst möglichst klein bleibt. Zur Nutzung der Orthotropie für die Reibungsverminderung kann außerdem das Dehnungsverhalten des Rohrkörpers in Umfangs- und Längs¬ richtung so aufeinander abgestimmt werden, daß sich zufolge einer durch den Flüssigkeitsdruck verursachten Umfangsdehnung und der damit verbundenen Verkürzung quer dazu eine entsprechende Längenänderung des Rohrkörpers einstellt. Entspricht bei einem gegebenen Hydraulikmitteldruck die negative Längsdehnung des Rohrkörpers der Flüssigkeitskompression, so tritt keine Ralativbewegung zwischen Hydraulikmittel und Rohrkörper auf. In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines hydrostatischen
Antriebes in einem einfachen Blockschaltbild, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem
Haupt- und zwei Nebenresonatoren, Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Vorrichtung in einer Konstruktionsvariante, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 5 einen Resonator mit parallel geschalteten orthotropen Resonanzrohren in einem vereinfachten Axialschnitt,
Fig. 6 einen vereinfachten Axialschnitt durch ein Schaltventil, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie Vll-Vll der Fig. 6 und Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie Vlll-Vlll der Fig. 6.
Die Vorrichtung zum Steuern eines hydrostatischen Antriebes 1, der als Arbeits¬ zylinder angedeutet ist, weist ein Schaltventil 2 auf, das über einen geeigneten Antrieb 3 periodisch betätigt wird. Dieses Schaltventil 2 verbindet ein Resonanz¬ rohr 4 abwechselnd mit einer Hydraulikmittelversorgungsleitung 5 und einer Rückleitung 6 zu einem vorgespannten Hydraulikmitteltank. Die Länge des Resonanzrohres 4 entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der sich im Resonanzrohr 4 ausbildenden Druckwellen des Hydraulikmittels, die sich aufgrund der durch die Betätigung des Schaltventiles ergebenden Druckpul¬ se über die Länge des Resonanzrohres 4 ausbreiten. Da das Resonanzrohr 4 außerdem ein festes Reflexionsende für diese Druckwellen bildet, entstehen unter Resonanzbedingungen im Resonanzrohr 4 stehende Druckwellen unter¬ schiedlicher Ordnung mit Schwingungsknoten, in denen die durch diese Knoten¬ punkte gehenden Druckwellen keine Amplitude aufweisen, so daß durch einen Druckausgang 7 im Bereich eines solchen Knotenpunktes die ihm zugeordneten Druckwellen unterdrückt werden und der an diesem Druckausgang 7 ange- schlossene Antπeb 1 mit einem Arbeitsdruck beaufschlagt wird, der entspre¬ chend geringeren Schwankungen unterworfen ist. Der Arbeitsweg des an den Druckausgang 7 angeschlossenen Antriebes 1 hat auf die Resonanzbedingungen im Resonanzrohr 4 keinen Einfluß, was einfache Steuerungsverhältnisse schafft, weil über die die Druckpulsweite bestimmenden Schaltzeiten des Schaltventils 2 bei einer auf die Resonanzfrequenz abgestimmten Schaltfrequenz der Effektiv- wert des Arbeitsdruckes am Druckausgang 7 beliebig zwischen einem dem Druck in der Hydraulikmittelversorgungsleitung 5 entsprechenden Maximaldruck und einem dem Druck in der Rücklaufleitung 6 entsprechenden Minimaldruck einge- stellt werden kann.
Die Einflußgrößen auf die Resonanzbedingungen können aber nicht immer als konstant angesehen werden. So ändert sich beispielsweise die Zähigkeit und die Kompressibilität des Hydraulikmittels mit der Schwankungen unterworfenen Temperatur, so daß die Vorrichtung an die sich ändernden Resonanzbedingun¬ gen angepaßt werden muß, wenn ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt wird. Diese Anpassung kann vergleichsweise einfach durch eine Nachführung der Schaltfrequenz des Schaltventiles 2 erreicht werden, wie dies in der Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Zu diesem Zweck wird der Antrieb 3 für das Schalt- ventil 2 über eine Regeleinrichtung 8 angesteuert, die eine allfällige Verlagerung eines Schwingungsknotens überwacht. Mittels eines im Bereich des Knotenpunk¬ tes an das Resonanzrohr 4 angeschlossenen Druckgebers 9 und eines auf die Frequenz der durch den Knotenpunkt verlaufenden Druckwellen abgestimmten Bandfilters 10 können die bei Verlagerungen von Schwingungsknoten am vor- gegebenen Knotenpunkt auftretenden Druckamplituden der dem Schwingungs¬ knoten zugeordneten Druckwellen erfaßt und zur Ansteuerung des Schaltventil¬ antriebes 3 im Sinne einer Nachführung der Schaltfrequenz an die Resonanz¬ frequenz ausgenützt werden. Das Bandfilter 10 kann auf die jeweilige Schalt¬ frequenz des Schaltventiles abgestimmt werden, was in der Fig. 1 durch eine Steuerleitung 11 zwischen dem Schaltventilantrieb 3 und dem Bandfilter 10 veranschaulicht ist.
Obwohl grundsätzlich der Druckausgang 7 im Bereich von Schwingungsknoten der Druckwellen höherer Ordnung vorgesehen werden kann, ergeben sich im allgemeinen besonders günstige Verhältnisse im Bereich eines Schwingungs¬ knoten der Grundweile der Druckschwingungen, also in der Längsmitte des Resonanzrohres 4. In diesem Fall werden die Grundwelle und die Druckoberwel¬ len mit einer ungeraden Ordnungszahl am Druckausgang 7 unterdrückt. Sollen weitere Oberwellen unterdrückt werden, so kann an den Druckausgang 7 des Resonanzrohres 4 ein zusätzliches Resonanzrohr 12 und gegebenenfalls in weiterer Folge zusätzliche Resonanzrohre 13 angeschlossen werden, und zwar jeweils an den Druckausgang 7 des unmittelbar vorgeordneten Resonanzrohres. Bei mittiger Anordnung des Druckausganges 7 werden die Resonanzrohre jeweils mit der halben Länge des vorgeordneten Resonanzrohres ausgebildet, wie dies in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist. Damit werden am Druckausgang 7 des Resonanzrohres 12 die Druckoberwellen der Ordnungen 2, 6, 10, ... und am Druckausgang 7 des Resonanzrohres 13 die Druckoberwellen der Ordnungen 4, 12, 20, ... unterdrückt, so daß die Restschwankungen des Arbeitsdruckes am Druckausgang 7 des Resonanzrohres 13 vergleichsweise klein ausfallen. Im Bedarfsfall kann diese Restpulsation durch das Hinzufügen zusätzlicher Reso¬ nanzrohre weiter herabgesetzt werden.
Das Ansetzen zusätzlicher Resonanzrohre ist allerdings nur dann möglich, wenn trotz der durch die angeschlossenen Resonanzrohre gebildeten Abzweigungen die Resonanzverhältnisse im vorgeordneten Resonanzrohr nicht beeinträchtigt werden. Dies gelingt gemäß der Fig. 2 dadurch, daß zu dem Resonanzrohr 4 ein Resonanzrohr 4a parallel geschaltet wird, so daß diese Parallelschaltung der Resonanzrohre 4 und 4a einen Hauptresonator A ergeben. In analoger Weise besteht der an den Hauptresonator A angeschlossene Nebenresonator B aus einer Parallelschaltung der Resonanzrohre 12 und 12a. Für den ausgangs- seitigen Nebenresonator C ist eine solche Parallelschaltung für das Resonanz¬ rohr 13 nicht nötig.
Eine andere Möglichkeit ein festes Reflexionsende für den Hauptresonator A zu bilden, besteht nach der Fig. 3 darin, am Ende des Resonanzrohres 4 ein zum Schaltventil 2 gegensinnig betätigtes Schaltventil 2a vorzusehen, so daß das Resonanzrohr 4 auf der einen Seite mit der Hydrauiikmittelversorgungsleitung 5 und am anderen Ende mit der Rückleitung 6 und umgekehrt verbunden wird, und zwar mit der jeweiligen Resonanzfrequenz.
Die gegenseitige räumliche Anordnung der parallelgeschalteten Resonanzrohre 4, 4a bzw. 12, 12a spielt für die Wirkungsweise der von ihnen gebildeten Reso¬ natoren A bzw. B keine Rolle. Es können daher die parallelgeschalteten Reso- nanzrohre 4, 4a bzw. 12, 12a jeweils koaxial angeordnet werden, wobei das Resonanzrohr 4 bzw. 12 mit dem Druckausgang 7 das parallelgeschaltete Resonanzrohr 4a bzw. 12a umschließt, wie dies die Fig. 4 zeigt.
Um aufgrund von örtlichen Relativbewegungen zwischen dem Hydraulikmittel und dem Rohrkörper des jeweiligen Resonanzrohres bedingte Reibungsverluste vermeiden zu können, können die Resonanzrohre orthotrop ausgebildet werden, wobei in axialer Richtung eine entsprechend geringere Steifigkeit gefordert ist, damit der Rohrkörper vom Hydraulikmittel in axialer Richtung mitgenommen werden kann. Zur Verwirklichung der orthotropen Eigenschaften stehen ver¬ schiedene Wege offen. Eind Möglichkeit ergibt sich, wenn die Resonanzrohre aus Wellrohren bestehen, was in der Fig. 5 für den Hauptresonator A veran¬ schaulicht ist. Selbstverständlich muß in einem solchen Fall dafür gesorgt werden, daß die Rohrenden verschiebefest gehalten werden, was aus Übersicht- lichkeitsgründen nicht näher dargestellt ist. Der Anschluß des Druckausganges
7 muß allerdings eine entsprechende Rohrbewegung zulassen. Aus diesem Grunde wird der Druckausgang 7 durch eine Anschlußhülse 14 gebildet, die vom Resonanzrohr 4 axial verschiebbar durchsetzt wird. Da die Anschlußhülse 14 das Resonanzrohres 4 mit radialem Abstand umschließt, wird die Abdichtung durch Ringmanschetten 15 erreicht, die die Relatiwerschiebung zwischen Rohr und Hülse zulassen.
Um die Vorteile der vorgeschlagenen Resonatoren zur Ansteuerung von hydro¬ statischen Antrieben ausnutzen zu können, müssen geeignete Schaltventile für die vergleichsweise hohen Resonanzfrequenzen zur Verfügung stehen. Ein Schaltventil, das diesen Anforderungen genügt, ist schematisch in den Fig. 6 bis
8 dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem das Resonanzrohr 4 um¬ schließenden Gehäuse 16, in dem ein zum Resonanzrohr 4 koaxialer Rotations¬ kolben 17 drehbar gelagert ist, der zwei axial hintereinander angeordnete Ringkammern 18 und 19 des Gehäuses 16 durchsetzt und im Bereich beider Ringkammern 18, 19 Steuerkanten bildende Durchtrittsöffnungen 20 aufweist, die mit Durchtrittsöffnungen 21 des Resonanzrohres 4 zusammenwirken. Zusätz¬ lich ist eine drehverstellbare Steuerhülse 22 im Gehäuse 16 gelagert, die mit Durchtrittsöffnungen 23 und von diesen gebildeten Steuerkanten 24 versehen ist. Über einen Zahnkranz 25 kann diese Steuerhülse 22 verstellt werden. Bei einer Drehung des Rotationskolbens 17 über einen Antrieb 3 gemäß der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles 26 gelangen die Durchtrittsöffnungen 20 im Bereich der an die Hydraulikmittelversorgungsleitung 5 angeschlossenen Ringkammer 18 in den Bereich der Durchtrittsöffnungen 21 des Resonanzrohres 4, so daß das Reso¬ nanzrohr 4 an die Hydraulikmittelversorgungsleitung 5 angeschlossen wird, bis die Steuerkanten der Steuerhülse 22 für einen Verschluß der Durchtrittsöff¬ nungen 20 des Rotationskolbens 17 im Bereich der Ringkammer 18 sorgen. Gegensinnig dazu werden die Durchtrittsöffnungen 20 des Rotationskolbens 17 im Bereich der an die Rückleitung 6 angeschlossenen Ringkammer 19 durch die zugehörigen Steuerkanten 24 geöffnet, bis sie aus den Bereich der Durchtritts¬ öffnungen 21 des Resonanzrohres 4 gelangen, wodurch ein abwechselnder Anschluß des Resonanzrohres 4 an die Hydraulikmittelversorgungsleitung 5 und an die Rückleitung 6 sichergestellt wird. Die Schaltzeiten werden dabei über die Drehstellung der Steuerhülse 22 gegenüber dem Resonanzrohr 4 bestimmt, während die Schaltfrequenz bei einer gegebenen Anzahl von über den Umfang verteilten Durchtrittsöffnungen nur von der Drehzahl des Rotationskolbens 17 abhängt. Es kann daher die Pulsweite bei einer eingestellten Schaltfrequenz durch eine Drehverstellung der Steuerhülse 22 zur Ansteuerung des hydro- statischen Antriebes 1 beliebig verstellt werden, was sich in einer entsprechen¬ den Änderung des Arbeitsdruckes an den Druckausgängen 7 bemerkbar macht.
Wegen der vergleichsweise hohen Schaltfrequenzen müssen hydraulische Kapazitäten in Form kleiner Druckspeicher möglichst nahe an den Schaltstellen vorgesehen werden. Dazu bieten sich in vorteilhafter Weise die Ringkammern 18 und 19 an, in die zu diesem Zweck druckelastische Körper eingesetzt werden können, beispielsweise mit Druckgas, z. B. Stickstoff, gefüllte Ringschläuche 27, die in der Fig. 6 strichpunktiert angedeutet sind.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Steuern eines hydrostatischen Antriebes (1) mit einem periodisch betätigbaren Schaltventil (2), das ein mit dem hydrostatischen Antrieb (1) verbundenes Resonanzrohr (4) zur Ausbildung stehender Druckwellen des Hydraulikmittels unter Resonanzbedingungen abwechselnd an eine Druckmittel- Versorgungsleitung (5) und an eine Rückleitung (6) anschließt, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Resonanzrohr (4) einen Druckausgang (7) in einem Schwin¬ gungsknoten der stehenden Druckwellen aufweist und daß die Schaltzeiten des Schaltventiles (2) bei gleichbleibender Schaltfrequenz steuerbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das an das Steuerventil (2) angeschlossene Resonanzrohr (4) einen Hauptresonator (A) bildet, an dessen Druckausgang (7) wenigstens ein Nebenresonator (B) mit einem Resonanzrohr (12) anschließt, das wiederum einen Druckausgang (7) in einem Schwingungsknoten der sich in diesem Resonanzrohr (12) ausbildenden stehenden Druckwellen aufweist, und daß das Resonanzrohr (4) des Hauptreso- nators (A) entweder mit einem zusätzlichen Resonanzrohr (4a) parallelgeschaltet oder beiderends über gegensinnig betätigbare Schaltventile (2, 2a) mit der Druckmittelversorgungsleitung (5) und der Rückleitung (6) verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vor¬ sehen von wenigstens zwei Nebenresonatoren (B, C) diese jeweils an den Druckausgang (7) des vorhergehenden Resonators (A, B) angeschlossen sind und mit Ausnahme des ausgangsseitigen Nebenresonators (C) aus einer Par¬ allelschaltung von zumindest zwei Resonanzrohren (12, 12a) bestehen, von denen eines den Druckausgang (7) zum Anschluß des nachfolgenden Resona¬ tors (C) bildet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parallelschaltung zweier Resonanzrohre (4, 4a; 12, 12a) diese einander koaxial umschließen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltventil (2) eine Regeleinrichtung (8) zum Nachführen der Schalt¬ frequenz an die sich allenfalls ändernde Resonanzfrequenz des unmittelbar an das Steuerventil (2) angeschlossenen Resonators (A) zugeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (2) als Rotationskolbenventil mit einem das Resonanzrohr
(4) koaxial umschließenden Rotationskolben (17) ausgebildet ist, der in einem Gehäuse (16) axial hintereinander angeordnete, einerseits mit der Hydraulik¬ mittelversorgungsleitung (5) und anderseits mit der Rückleitung (6) verbundene Ringkammern (18, 19) durchsetzt und im Bereich dieser Ringkammern (18, 19) Steuerkanten bildende, mit Durchtrittsöffnungen (21) des Resonanzrohres (4) zusammenwirkende Durchtrittsöffnungen (20) aufweist, deren Freigabe durch eine drehverstellbare Steuerhülse (22) mit Steuerkanten (24) für die Schaltzeiten steuerbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ringkammern (18, 19) des Gehäuses (16) des Schaltventiles (2) druckelastische
Körper, vorzugsweise mit einem Druckgas gefüllte Schläuche ((27), vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper des Resonanzrohres (4) bzw. der Resonanzrohre (4, 4a, 12, 12a, 13) orthotrop mit einer gegenüber der axialen Richtung größeren Steifigkeit in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkör¬ per des Resonanzrohres (4) bzw. der Resonanzrohre (4, 4a, 12, 12a, 13) aus einem Wellrohr besteht.
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