WO2009003462A2 - Ventilgesteuerter hydromotor - Google Patents

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WO2009003462A2
WO2009003462A2 PCT/DE2008/001099 DE2008001099W WO2009003462A2 WO 2009003462 A2 WO2009003462 A2 WO 2009003462A2 DE 2008001099 W DE2008001099 W DE 2008001099W WO 2009003462 A2 WO2009003462 A2 WO 2009003462A2
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hydraulic motor
pressure
seat
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Michael Gaumnitz
Heino Försterling
Michael Dürr
Stefan Hoppe
Reinhold Schniederjahn
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Robert Bosch Gmbh
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    • F03C1/00Reciprocating-piston liquid engines
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    • F04B7/0053Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving with specific kinematics of the distribution member for reciprocating distribution members

Definitions

  • the invention relates to a valve-controlled hydraulic motor according to the preamble of claim 1.
  • valve-controlled hydraulic machines are known, for example, from EP 1 537 333 B1.
  • This document shows a hydraulic machine in axial or radial piston construction, which can be operated in principle as a motor or as a pump, wherein the delivery or Schiuck volume is infinitely adjustable via the valve control.
  • the hydraulic machine is designed as an axial piston machine, wherein a plurality of piston arranged in a cylinder is supported on a rotatably mounted swash plate.
  • Each piston defines with the associated cylinder chamber a working space which can be connected via an inlet valve and a drain valve with a pressure medium inlet or a pressure medium drain.
  • the two valves are designed as electrically unlockable or lockable check valves, which can be controlled via the pump / motor control to operate the respective working space in "fill mode", in “partial mode” or in “idle mode”
  • fill mode essentially the entire displacement or delivery volume is utilized, in “partial mode” only a part of the volume is used.
  • the delivery / discharge volume of the respective working space is 0 - the machine works at idle.
  • the hydraulic machine Via a control unit, the hydraulic machine is operated according to a control algorithm in order to achieve the lowest possible pulsation sum flow volume (pump) or total displacement volume flow (motor).
  • the volume flow adjustment is often carried out according to a phase control, but it can also be performed after a Phasenabitess- or phase cut control.
  • the inlet valve Shortly before the inner dead center, in which the respective piston has carried out the full swallowing movement, the inlet valve is closed, so that is relieved of pressure by the remaining residual stroke of the piston to the dead center of the working space. Through this pressure relief, the drain valve can open pressure relieved and the piston can push out in his subsequent conveying movement his swallow volume to the tank. Shortly before the outer dead center then the drain valve is closed by energizing the corresponding actuating magnet. The remaining stroke of the piston to the outer dead center is then used to compress the trapped in the working space pressure medium, so that the inlet valve can open when pressure reaches the outer dead center. This process ensures that the check valves can be switched in the largely pressure-balanced state by relatively low actuating magnetic forces. This control is necessary due to the required switching dynamics.
  • the pressure in the working chamber essentially corresponds to the tank pressure, while the inlet valve is acted upon in the closing direction by the force of the spring and in addition by the high pressure in the inlet. Since the pistons and correspondingly also the swash plate are stationary, the above-described pressure equalization can not take place by the compression of the pressure medium in the working space.
  • the actuating magnet of the inlet valve must therefore be designed so that it can open the inlet valve against the high pressure in the inlet. For this purpose, a very large actuating magnet is required, which does not meet the requirements in terms of dynamics and is also very expensive and requires considerable space, so that the hydraulic machine is not executable with the required compactness.
  • the invention has for its object to provide a hydraulic motor with improved starting behavior.
  • the hydraulic motor has a multiplicity of pistons which, together with a cylinder, delimit a working space which can be connected to an inlet via a pilot-operated inlet valve and to a drain via a drain valve.
  • the active surfaces of the inlet valve in the closing and opening direction are pressure balanced. That is, the effective in the closing direction and opening direction surfaces and the pressures acting thereon in the sum are about the same size, so that a small actuating magnet is sufficient to adjust the inlet valve in the opening direction for starting the hydraulic motor.
  • the total area of the active surfaces acted upon in the closing direction is equal to the total area of the active surfaces acted upon in the opening direction.
  • the actuation of the inlet valve is preferably carried out via an actuating magnet, but in principle other actuators can be used.
  • the inlet valve and preferably also the drain valve are designed as check valves, wherein the inlet valve has a valve body which is biased against a seat.
  • the valve body is guided in a valve bore of a housing, wherein in the region of the seat, the valve bore is widened to a feed space in the radial direction, which is connected to the inlet.
  • a sealing surface of the valve body associated with the seat is formed on a radially enlarged collar with respect to a guide portion of the valve body whose rear, facing away from the seat ring surface with the pressure in the working space and its in the closed position zulaufjan located end face portion with the inlet pressure is charged.
  • a remote from the seat rear end face of the guide portion of the valve body defines a spring chamber in which also acts the inlet pressure.
  • the surface of the seat corresponds approximately to that of a rear, a spring chamber limiting end face of the valve body which is acted upon in the closing direction with a pressure corresponding to the working space pressure - in this variant, both end faces of the valve body are designed with the same area and in the closed position both subjected to the working space pressure.
  • the structure of this inlet valve is particularly simple if a longitudinal bore is formed in the valve body, through which the spring chamber and the adjoining the seat working space pressure chamber are connected to each other, so that both end faces are subjected to the same pressure.
  • the hydraulic motor according to the invention can be designed as an axial or radial piston machine.
  • Figure 1 is a schematic diagram for explaining the function of a valve-controlled hydraulic machine
  • Figure 2 is a functional diagram of an inlet valve of the hydraulic machine of Figure 1 and
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an inlet valve for a hydraulic machine according to FIG. 1.
  • the hydraulic machine is designed as a valve-controlled hydraulic motor 1 in the axial piston design with swash plate.
  • the functional principle of such a hydraulic motor will be explained with reference to FIG. 1, which shows a greatly simplified development of a hydraulic motor 1 in an axial piston construction.
  • DDP digitally adjustable delivery / displacement
  • the hydraulic motor 1 has a cylinder 2, in which a multiplicity of cylinder bores 4 are formed, in each of which a piston 6 is guided in an axially displaceable manner.
  • Each of the pistons 6 defines, with the cylinder bore 4, a working space 8 whose volume depends on the stroke of the pistons 6.
  • the pistons 6 are each a piston shoe 10 at an angle supported swash plate, which is connected to an output shaft 12.
  • the control curve 14 formed on account of the rotation of the swash plate is shown, which reproduces the rotational angle dependence of the piston stroke and thus of the volume of the respective working space.
  • each working space 8 is connected via an inlet valve 16 to a supply line 18 which is common to all working spaces 8 and which is subjected to a system or high pressure. This high pressure can be generated for example via a pump 20.
  • Each working space 8 is further connected via a drain valve 22 with a likewise all working spaces 8 common drain line 24, which opens into a tank 26.
  • the drain valves 22 and the inlet valves 16 are each designed as electrically releasable or lockable check valves.
  • the inlet valve 16 is biased by a spring, not shown, in its illustrated basic position in a closed position and can be brought by energizing an actuating magnet 18 in an open position, so that the pressure medium from the supply line 18 can flow into the respective working space 8.
  • the drain valve 22 is biased in its illustrated basic position via a spring in an open position. By energizing an actuating magnet 30, this drain valve 22 can be brought into a blocking position in which the pressure medium can not flow out of the working space 8.
  • only the symbols of the right-hand valves 28, 30 are shown in the illustration of Figure 1, the other, the other work spaces associated valves are constructed accordingly.
  • the control of the valves 16, 22 takes place in dependence on the rotational speed of the output shaft 12, which is detected by a Drehbaumetzêt 36 and reported via a signal line to the control unit 34.
  • other characteristic data such as, for example, the torque acting on the output shaft 12 or the displacement of the hydraulic motor 1 in the control of the valves 16, 22, can also be taken into account.
  • the pistons located on the way from the outer dead center (at the top in FIG. 1) to the inner dead center are subjected to high pressure - these pistons are arranged, for example, in the right, sloping part of the control cam 14.
  • the associated inlet valves 16 must first be controlled against the pressure in the supply line 18.
  • actuating magnet 28 is required to open the valve, since in the respective working spaces 8 a tank pressure corresponding pressure is applied.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of an inlet valve 16 for a hydraulic machine
  • This inlet valve 16 is connected with its axial outlet connection to the working space 8 and with its radial inlet connection to the conveying line 18.
  • the inlet valve 16 has a stepped valve bore 34 in which a valve body 36 is guided axially displaceable.
  • This is designed as a stepped piston and has a radially widened collar 38, whose lower end lying in Figure 2 end portion is tapered, so that an obliquely adjusted sealing surface 40 results, which is seated in the illustrated basic position on a housing-side seat 42.
  • this seat 42 is designed with a seat edge, in principle, however, the seat 42 could also be provided with a sloping sealing surface.
  • valve bore 34 is expanded to an inlet chamber 44 into which the supply line 18 opens.
  • the collar 38 of the valve body 36 merges into a radially recessed guide portion 46, wherein an annular space 50 is bounded by the remaining annular surface 48 with an adjacent radial step of the valve housing. This is connected via a connecting channel 52 in the valve housing with the working space-side outlet port of the inlet valve 16, so that in the annular space 50 corresponding approximately the pressure in the working chamber 8 is applied.
  • rearward end face 54 of the guide portion 46 defines a spring chamber 56 with a bottom of the valve bore 34, in which a spring 58 is received, which engages the end face 54 and biases the valve body 36 against the seat 42 in its illustrated closed position ,
  • the control of the valve body 36 via an actuating magnet 60 which is designed in the illustrated embodiment as a very fast-switching, pulling magnet.
  • another actuator for example a piezo drive or the like can be used.
  • a plunger 62 of this actuating magnet is connected to the valve body 36, so that when energizing the actuating magnet 60 of the valve body 36 is lifted from the seat 42.
  • the spring chamber 56 is connected via a branch line 64 to the supply line 18, so that correspondingly abuts in the spring chamber 56 inlet pressure.
  • the pressure in the closing direction and in the opening direction surfaces are each made the same size.
  • the end face 54 marked by the diameter d is the same size as the partial section of the collar end face located in the inlet space 44, the end face of which is determined by the difference of the diameter D (diameter of the collar 38) minus V (valve seat diameter).
  • valve body 36 Since the respective same surfaces are always subjected to the same pressure (inlet pressure or pressure in the working space), the valve body 36 is substantially pressure balanced, so that it is acted upon only in the closing direction by the force of the spring 58. To open the inlet valve 16, therefore, a comparatively small, fast-switching and compact operating solenoid 60 can be selected.
  • the actuating magnet 60 is energized and the valve body 36 is lifted from the valve seat 42.
  • the pressure medium can flow from the supply line 18 into the working space 8 via the radial connection, the inlet space 44 and through the opened valve seat 42.
  • the actuating magnet 60 is de-energized during the swallowing movement of the piston 6 in the desired piston position, so that the valve body 36 is displaced back into its locking position by the force of the spring 58.
  • the pressure in the working space 8 is decompressed by the further piston movement and opened the low-pressure side drain valve 22.
  • the drain valve 22 is closed shortly before the outer dead center (top of Figure 1) .With the remaining stroke of the piston 6 is then the pressure medium is compressed, so that the pressure medium in the working space 8 rises.
  • the actuating magnet 60 is energized and the inlet valve 16 is turned on -
  • the hydraulic motor 1 can there up its desired operating state (fill mode, partial mode or idle mode).
  • FIG. 3 shows a simplified exemplary embodiment of an inlet valve 16.
  • the valve body 36 is designed with a continuous cylindrical shaft 66, at the lower end portion (view of Figure 3) is provided in a radially expanded locking cone 68, the conical surface forms the sealing surface 40. This sits in the home position - as in the above embodiment - on the seat 42.
  • the diameter D of the seat 42 corresponds to the diameter d of the shaft 66. Its rear side bounded with the end face 54 in turn a spring chamber 56, on the end wall of which the valve body 36 engaging spring 58 is supported.
  • the valve body 36 is penetrated by an axially extending longitudinal bore 70, which opens on the one hand in the spring chamber 56 and the other hand in the working space pressure chamber, so that both the same sized end faces of the valve body 36 are acted upon by the pressure in the working space 8 -
  • This very simple embodiment of the valve body 36 is thus also a pressure equalization ensures, so that again by a small actuating magnet 60 is used.
  • the operation of the inlet valve 16 shown in Figure 3 corresponds to that of Figure 2, so that further explanations are unnecessary.
  • the longitudinal bore 70 may also be formed in the valve housing. Accordingly, the channels 52, 64 of the embodiment of Figure 2 could also be integrated into the valve body 36.
  • the hydraulic machine can be designed in radial or axial construction.
  • a valve-controlled hydraulic motor with a plurality of pistons, each of which limits a working space, which can be connected via a pilot-operated inlet valve with an inlet and a drain valve with a drain. According to the invention acted upon in the closing and opening direction effective surfaces of the inlet valve are pressure balanced.

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Abstract

Offenbart ist ein ventilgesteuerter Hydromotor mit einer Vielzahl von Kolben, die jeweils abschnittsweise einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil mit einem Zulauf und über ein Ablaufventil mit einem Ablauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die in Schließ- und Öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen des Zulaufventils druckausgeglichen.

Description

Ventilgesteuerter Hydromotor
Die Erfindung betrifft einen ventilgesteuerten Hydromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schiuckvolumen über die Ventilsteuerung stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpen-/Motorsteuerung ansteuerbar sind, um den jeweiligen Arbeitsraum im „füll mode", im „partial mode" oder im „idle mode" zu betreiben. Beim „füll mode" wird im Wesentlichen das gesamte Schluck- oder Fördervolumen ausgenützt, im „partial mode" entsprechend nur ein Teil des Volumens. Im „idle mode" ist das Förder-/Sch!uckvolumen des jeweiligen Arbeitsraumes gleich 0 - die Maschine arbeitet im Leerlauf.
Über eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittsteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
Bei der im Stand der Technik beschriebenen, als Motor betriebenen Lösung ist das im Zulauf zu jedem Arbeitsraum angeordnete Zulaufventil im unbestromten Zustand mittels Federkraft geschlossen. Das im Ablauf angeordnete Rückschlagventil ist im unbestromten Zustand durch die Federkraft in Öffnungsrichtung vorgespannt. im Motorbetrieb wird zum Antreiben einer mit der Taumelscheibe verbundenen Welle das Ablaufventil durch Bestromen eines Betätigungsmagneten geschlossen und gleichzeitig das Zulaufventil geöffnet. Dadurch kann Druckmittel in den Arbeitsraum einströmen, so dass die hydraulische Energie des Druckmittels durch die Axialverschiebung des jeweiligen Kolbens und die entsprechende Drehbewegung der Taumelscheibe in eine Drehbewegung der Welle und somit in mechanische Energie umgewandelt wird. Kurz vor dem inneren Totpunkt, in dem der jeweilige Kolben die volle Schluckbewegung ausgeführt hat, wird das Zulaufventil geschlossen, so dass durch den verbleibenden Resthub des Kolbens bis zum Totpunkt der Arbeitsraum druckentlastet wird. Durch diese Druckentlastung kann das Ablaufventil druckentlastet öffnen und der Kolben kann in seiner nachfolgenden Förderbewegung sein Schluckvolumen zum Tank ausschieben. Kurz vor dem äußeren Totpunkt wird dann das Ablaufventil durch Bestromen des entsprechenden Betätigungsmagneten geschlossen. Der verbleibende Hub des Kolbens bis äußeren Totpunkt wird dann zum Komprimieren des im Arbeitsraum eingeschlossenen Druckmittels benutzt, so dass das Zulaufventil bei Erreichen des äußeren Totpunkts druckentlastet öffnen kann. Durch diesen Ablauf ist gewährleistet, dass die Rückschlagventile im weitgehend druckausgeglichenen Zustand durch relativ geringe Betätigungsmagnetkräfte geschaltet werden können. Diese Ansteuerung ist aufgrund der geforderten Schaltdynamik notwendig.
Beim Anfahren derartiger Hydromotoren entspricht der Druck im Arbeitsraum im Wesentlichen dem Tankdruck, während das Zulaufventil in Schließrichtung durch die Kraft der Feder und zusätzlich durch den Hochdruck im Zulauf beaufschlagt ist. Da die Kolben und entsprechend auch die Taumelscheibe stillstehen, kann der vorbeschriebene Druckausgleich durch die Kompression des Druckmittels im Arbeitsraum nicht erfolgen. Der Betätigungsmagnet des Zulaufventils muss daher so ausgelegt werden, dass er das Zulaufventil gegen den hohen Druck im Zulauf öffnen kann. Hierzu ist ein sehr großer Betätigungsmagnet erforderlich, der hinsichtlich der Dynamik den Erfordernissen nicht genügt und zudem sehr teuer ist und einen erheblichen Bauraum benötigt, so dass die Hydromaschine nicht mit der erforderlichen Kompaktheit ausführbar ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hydromotor mit verbessertem Anfahrverhalten bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen ventilgesteuerten Hydromotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß hat der Hydromotor eine Vielzahl von Kolben, die gemeinsam mit einem Zylinder einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil mit einem Zulauf und über ein Ablaufventil mit einem Ablauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die Wirkflächen des Zulaufventils in Schließ- und Öffnungsrichtung druckausgeglichen. D.h. die in Schließrichtung und Öffnungsrichtung wirksamen Flächen und die darauf wirkenden Drücke sind in der Summe etwa gleich groß, so dass ein kleiner Betätigungsmagnet ausreicht, um zum Anfahren des Hydromotors das Zulaufventil in Öffnungsrichtung zu verstellen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gesamtfläche der in Schließrichtung beaufschlagten Wirkflächen gleich der Gesamtfläche der in Öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen.
Die Betätigung des Zulaufventils erfolgt vorzugsweise über einen Betätigungsmagneten, prinzipiell können jedoch auch andere Aktuatoren verwendet werden.
Das Zulaufventil und vorzugsweise auch das Ablaufventil sind als Rückschlagventile ausgeführt, wobei das Zulaufventil einen Ventilkörper hat, der gegen einen Sitz vorgespannt ist. Der Ventilkörper ist in einer Ventilbohrung eines Gehäuses geführt, wobei im Bereich des Sitzes die Ventilbohrung zu einem Zulaufraum in Radialrichtung erweitert ist, der mit dem Zulauf verbunden ist.
Bei einer Variante der Erfindung ist eine dem Sitz zugeordnete Dichtfläche des Ventilkörpers an einem mit Bezug zu einem Führungsabschnitt des Ventilkörpers radial erweiterten Bund ausgebildet, dessen rückwärtige, vom Sitz abgewandte Ringfläche mit dem Druck im Arbeitsraum und dessen in der Schließstellung zulaufseitig gelegener Stirnflächenabschnitt mit dem Zulaufdruck beaufschlagt ist. Eine vom Sitz entfernte rückseitige Stirnfläche des Führungsabschnittes des Ventilkörpers begrenzt einen Federraum, in dem ebenfalls der Zulaufdruck wirkt.
Bei einer vereinfachten Ausführung entspricht die Fläche des Sitzes etwa derjenigen einer rückwärtigen, einen Federraum begrenzenden Stirnfläche des Ventilkörpers, die in Schließrichtung mit einem dem Arbeitsraumdruck entsprechenden Druck beaufschlagt ist - bei dieser Variante sind beide Stirnflächen des Ventilkörpers mit gleicher Fläche ausgeführt und in der Schließstellung beide mit dem Arbeitsraumdruck beaufschlagt. Der Aufbau dieses Zulaufventils ist besonders einfach, wenn im Ventilkörper eine Längsbohrung ausgebildet ist, durch die der Federraum und der sich an den Sitz anschließende arbeitsraumseitige Druckraum miteinander verbunden sind, so dass beide Stirnflächen mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind.
Der erfindungsgemäße Hydromotor kann als Axial- oder Radialkolbenmaschine ausgeführt sein.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Funktion einer ventilgesteuerten Hydromaschine;
Figur 2 ein Funktionsschaubild eines Zulaufventils der Hydromaschine aus Figur 1 und
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zulaufventils für eine Hydromaschine gemäß Figur 1.
Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Hydromaschine als ventilgesteuerter Hydromotor 1 in Axialkolbenbauweise mit Taumelscheibe ausgeführt. Das Funktionsprinzip eines derartigen Hydromotors wird anhand Figur 1 erläutert, die eine stark vereinfachte Abwicklung eines Hydromotors 1 in Axialkolbenbauweise zeigt. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert, hinsichtlich detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen, in dem das Funktionsprinzip einer derartigen Hydromaschine mit digital verstellbarem Förder- /Schluckvolumen (DDP, DDM) ausführlich erläutert ist.
Gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 hat der Hydromotor 1 einen Zylinder 2, in dem eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit der Zylinderbohrung 4 einen Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub der Kolben 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer schräg gestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist die aufgrund der Rotation der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit des Volumens des jeweiligen Arbeitsraums wiedergibt. Wie in Figur 1 rechts dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein Zulaufventil 16 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Zulaufleitung 18 verbunden, die mit einem System- oder Hochdruck beaufschlagt ist. Dieser Hochdruck kann beispielsweise über eine Pumpe 20 erzeugt werden.
Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.
Wie bereits eingangs erläutert, sind die Ablaufventile 22 und die Zulaufventile 16 jeweils als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Das Zulaufventil 16 ist über eine nicht dargestellte Feder in seiner dargestellten Grundposition in eine Schließposition vorgespannt und lässt sich durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 18 in eine Öffnungsstellung bringen, so dass das Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 in den jeweiligen Arbeitsraum 8 einströmen kann. Das Ablaufventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über eine Feder in eine Öffnungsstellung vorgespannt. Durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 30 lässt sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen, in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen kann. Der Einfachheit halber sind in der Darstellung gemäß Figur 1 nur die Schaltsymbole der rechts angeordneten Ventile 28, 30 dargestellt, die anderen, den sonstigen Arbeitsräumen zugeordneten Ventile sind entsprechend aufgebaut.
Die Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die eingangs beschriebenen Modi (füll mode, partial mode und idle mode) einstellbar sind, so dass das Schluckvolumen des Hydromotors 1 stufenlos verstellbar ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle 12, die über einen Drehzahlaufnehmer 36 erfasst und über eine Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell können selbstverständlich auch andere Kenndaten, wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende Drehmoment oder das Schluckvolumen des Hydromotors 1 bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt werden. Zum Anfahren des Hydromotors 1 werden die sich auf dem Weg vom äußeren Totpunkt (oben in Figur 1) zum inneren Totpunkt befindlichen Kolben mit Hochdruck beaufschlagt - diese Kolben sind beispielsweise in dem rechten, abfallenden Teil der Steuerkurve 14 angeordnet. Zur Hochdruckbeaufschlagung dieser Kolben 6 müssen zunächst die zugeordneten Zulaufventile 16 gegen den Druck in der Zulaufleitung 18 aufgesteuert werden. Wie eingangs erläutert, sind bei den herkömmlichen Hydromotoren 1 vergleichsweise große Betätigungsmagneten 28 erforderlich, um das Ventil zu öffnen, da in den jeweiligen Arbeitsräumen 8 ein dem Tankdruck entsprechender Druck anliegt.
Figur 2 zeigt ein Prinzipschaubild eines Zulaufventils 16 für eine Hydromaschine
1 gemäß Figur 1. Dieses Zulaufventil 16 ist mit seinem axialen Ausgangsanschluss an den Arbeitsraum 8 und mit seinem radialen Eingangsanschluss an die Förderleitung 18 angeschlossen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Zulaufventil 16 eine abgestufte Ventilbohrung 34, in der ein Ventilkörper 36 axial verschiebbar geführt ist. Dieser ist als Stufenkolben ausgeführt und hat einen radial erweiterten Bund 38, dessen in Figur 2 unten liegender Endabschnitt kegelförmig ausgebildet ist, so dass sich eine schräg angestellte Dichtfläche 40 ergibt, die in der dargestellten Grundposition auf einem gehäuseseitigen Sitz 42 aufsitzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Sitz 42 mit einer Sitzkante ausgeführt, prinzipiell könnte der Sitz 42 jedoch auch mit einer schräg angestellten Dichtfläche versehen sein. In der Darstellung gemäß Figur
2 oberhalb der Anlage der Dichtfläche 40 an den Sitz 42 ist die Ventilbohrung 34 zu einem Zulaufraum 44 erweitert, in den die Zulaufleitung 18 einmündet. Der Bund 38 des Ventilkörpers 36 geht in einen radial zurückgesetzten Führungsabschnitt 46 über, wobei durch die verbleibende Ringfläche 48 mit einer benachbarten Radialstufe des Ventilgehäuses ein Ringraum 50 begrenzt ist. Dieser ist über einen Verbindungskanal 52 im Ventilgehäuse mit dem arbeitsraumseitigen Ausgangsanschluss des Zulaufventils 16 verbunden, so dass im Ringraum 50 entsprechend etwa der Druck im Arbeitsraum 8 anliegt.
Die in Figur 2 oben liegende rückwärtige Stirnfläche 54 des Führungsabschnitts 46 begrenzt mit einem Boden der Ventilbohrung 34 einen Federraum 56, in dem eine Feder 58 aufgenommen ist, die an der Stirnfläche 54 angreift und den Ventilkörper 36 gegen den Sitz 42 in seine dargestellte Schließposition vorspannt. Das Aufsteuern des Ventilkörpers 36 erfolgt über einen Betätigungsmagneten 60, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als sehr schnell schaltender, ziehender Magnet ausgeführt ist. Prinzipiell kann auch ein anderer Aktuator, beispielsweise ein Piezoantrieb oder dergleichen verwendet werden. Ein Stößel 62 dieses Betätigungsmagneten ist mit dem Ventilkörper 36 verbunden, so dass beim Bestromen des Betätigungsmagneten 60 der Ventilkörper 36 vom Sitz 42 abgehoben wird. Der Federraum 56 ist über eine Zweigleitung 64 mit der Zulaufleitung 18 verbunden, so dass entsprechend im Federraum 56 Zulaufdruck anliegt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung druckbeaufschlagten Flächen jeweils gleich groß ausgeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel heißt dies konkret, dass die Fläche des Ventilsitzes 42, gekennzeichnet durch den Durchmesser V gleich der Fläche der Ringfläche 48 ist, die durch die Differenz des Durchmessers D des Bundes 38 minus des Durchmessers d des Führungsabschnittes 46 definiert ist. Des Weiteren ist die durch den Durchmesser d gekennzeichnete Stirnfläche 54 gleich groß wie der im Zulaufraum 44 gelegene Teilabschnitt der Bundstirnfläche, deren Stirnfläche durch die Differenz des Durchmessers D (Durchmesser des Bunds 38) minus V (Ventilsitzdurchmesser) bestimmt ist. Da die jeweils gleichen Flächen immer mit dem gleichen Druck (Zulaufdruck oder Druck im Arbeitsraum) beaufschlagt sind, ist der Ventilkörper 36 im Wesentlichen druckausgeglichen, so dass er lediglich durch die Kraft der Feder 58 in Schließrichtung beaufschlagt ist. Zum Aufsteuern des Zulaufventils 16 kann daher ein vergleichsweise kleiner, schnell schaltender und kompakt bauender Betätigungsmagnet 60 gewählt werden.
Zum Anfahren des Hydromotors 1 wird der Betätigungsmagnet 60 bestromt und der Ventilkörper 36 vom Ventilsitz 42 abgehoben. Dadurch kann das Druckmittel von der Zulaufleitung 18 über den radialen Anschluss, den Zulaufraum 44 und durch den aufgesteuerten Ventilsitz 42 hindurch in den Arbeitsraum 8 einströmen. Um beispielsweise den „partial mode" einzustellen, wird der Betätigungsmagnet 60 während der Schluckbewegung des Kolbens 6 in der gewünschten Kolbenposition stromlos geschaltet, so dass der Ventilkörper 36 durch die Kraft der Feder 58 wieder in seine Sperrposition zurück verschoben wird. Der Druck im Arbeitsraum 8 wird durch die weitere Kolbenbewegung dekomprimiert und das niederdruckseitige Ablaufventil 22 geöffnet. Um einen ruckfreien Übergang in den Motor-Schluckbetrieb zu gewährleisten, wird das Ablaufventil 22 kurz vor dem äußeren Totpunkt (oben in Figur 1) geschlossen. Mit dem verbleibenden Hub des Kolbens 6 wird dann das Druckmittel komprimiert, so dass das Druckmittel im Arbeitsraum 8 ansteigt. Wenn der Druck im Arbeitsraum 8 etwa auf den Zulaufdruck angestiegen ist und somit ein druckausgeglichener Zustand an den beiden Anschlüssen des Zulaufventils 16 vorliegt, wird der Betätigungsmagnet 60 bestromt und das Zulaufventil 16 aufgesteuert - der Hydromotor 1 kann dann auf seinen gewünschten Betriebszustand (füll mode, partial mode oder idle mode) eingestellt werden.
In Figur 3 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Zulaufventils 16 dargestellt. Der Grundaufbau des Ventils entspricht demjenigen aus Figur 2, so dass hier nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert werden. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper 36 mit einem durchgehend zylindrischen Schaft 66 ausgeführt, an dessen unterem Endabschnitt (Ansicht nach Figur 3) ein in Radialrichtung erweiterter Schließkegel 68 vorgesehen ist, dessen Kegelfläche die Dichtfläche 40 bildet. Diese sitzt in der Grundposition - wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - auf dem Sitz 42 auf. Der Durchmesser D des Sitzes 42 entspricht dem Durchmesser d des Schaftes 66. Dessen Rückseite begrenzt mit der Stirnfläche 54 wiederum einen Federraum 56, an dessen Stirnwandung die am Ventilkörper 36 angreifende Feder 58 abgestützt ist.
Der schaftseitige Endabschnitt des Schließkegels 68 ist im Zulaufraum 44 angeordnet, wobei aufgrund der maßlichen Übereinstimmung des Ventilsitzdurchmessers und des Schaftdurchmessers (D = d) der im Zulaufraum 44 gelegene Bereich des Schließkegels 68 druckausgeglichen ist. Gemäß der Darstellung in Figur 3 wird der Ventilkörper 36 von einer axial verlaufenden Längsbohrung 70 durchsetzt, die einerseits im Federraum 56 und andererseits in dem arbeitsraumseitigen Druckraum mündet, so dass beide gleich großen Stirnflächen des Ventilkörpers 36 mit dem Druck im Arbeitsraum 8 beaufschlagt sind - durch diese sehr einfache Ausgestaltung des Ventilkörpers 36 ist somit ebenfalls ein Druckausgleich gewährleistet, so dass wieder um ein kleiner Betätigungsmagnet 60 verwendbar ist. Die Funktionsweise des in Figur 3 dargestellten Zulaufventils 16 entspricht demjenigen aus Figur 2, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Selbstverständlich kann die Längsbohrung 70 auch im Ventilgehäuse ausgebildet sein. Entsprechend könnten die Kanäle 52, 64 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 auch in den Ventilkörper 36 integriert werden. Die Hydromaschine kann in Radial- oder Axialbauweise ausgeführt sein.
Offenbart ist ein ventilgesteuerter Hydromotor mit einer Vielzahl von Kolben, die jeweils abschnittsweise einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil mit einem Zulauf und über ein Ablaufventil mit einem Ablauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die in Schließ- und Öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen des Zulaufventils druckausgeglichen. Bezuqszeichenliste:
Hydromotor
Zylinder
Zylinderbohrung
Kolben
Arbeitsraum
Kolbenschuh
Abtriebswelle
Steuerkurve
Zulaufventil
Zulaufleitung
Pumpe
Ablaufventil
Ablaufleitung
Tank
Betätigungsmagnet
Betätigungsmagnet
Rückschlagventil
Ventilbohrung
Ventilkörper
Bund
Dichtfläche
Sitz
Zulaufraum
Führungsabschnitt
Ringfläche
Ringraum
Verbindungskanal
Stirnfläche
Federraum
Feder
Betätigungsmagnet
Stößel
Zweigleitung
Schaft
Schließkegel
Längskanal

Claims

Patentansprüche
1. Ventilgesteuerter Hydromotor (1) mit einer Vielzahl von Kolben (6), die jeweils gemeinsam mit einem Zylinder (2) einen Arbeitsraum (8) begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil (16) mit einem Zulauf (18) und über ein Ablaufventil (22) mit einem Ablauf (24) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schließ- und Öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen im Wesentlichen druckausgeglichen sind.
2. Hydromotor nach Patentanspruch 1 , wobei die Gesamtfläche der in Schließrichtung beaufschlagten Wirkflächen gleich der Gesamtfläche der in Öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen ist.
3. Hydromotor nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Zulaufventil (16) über einen Betätigungsmagneten (60) betätigt ist.
4. Hydromotor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Zulaufventil (16) einen Ventilkörper (36) hat, der gegen einen Sitz (42) vorgespannt ist.
5. Hydromotor nach Patentanspruch 4, wobei der Sitz (42) an einem mit Bezug zu einer Ventilbohrung (34) radial erweiterten Zulaufraum (44) ausgebildet ist, der mit dem Zulauf (18) verbunden ist.
6. Hydromotor nach Patentanspruch 5, wobei eine Dichtfläche (40) des Ventilkörpers (36) an einem mit Bezug zu einem Führungsabschnitt (46) des Ventilkörpers (36) radial erweiterten Bund (38) ausgebildet ist, dessen rückwärtige, vom Sitz abgewandte Ringfläche (48) mit dem Druck im Arbeitsraum und dessen in Schließstellung zulaufseitig vom Sitz gelegener Stirnflächenabschnitt mit dem Zulaufdruck beaufschlagt ist, wobei eine vom Sitz (42) entfernte Stirnfläche (54) des Führungsabschnittes (46) einen Federraum (56) begrenzt, der mit Zulaufdruck beaufschlagt ist.
7. Hydromotor nach Patentanspruch 5, wobei die Fläche des Sitzes (42) etwa gleich einer rückwärtigen, einen Federraum (56) begrenzenden Stirnfläche (54) ist, die in Schließrichtung mit einem dem Arbeitsraumdruck entsprechenden Druck beaufschlagt ist.
8. Hydromotor nach Patentanspruch 7, wobei der Ventilkörper (36) eine einerseits in der federraumseitigen Stirnfläche (54) und andererseits in einer ventilsitz- seitigen Stirnfläche mündende Längsbohrung (70) hat.
9. Hydromotor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei dieser als Axial- oder Radialkolbenmaschine ausgeführt ist.
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