DE19608228A1

DE19608228A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE19608228A1
Application number: DE19608228A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Deininger; Eckehart Schulze
Original assignee: Hartmann and Lammle GmbH and Co KG; Linde GmbH
Current assignee: Voith Turbo H and L Hydraulic GmbH and Co KG; LHY Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: US6443706B1; JPH09242664A; JP3951004B2; US6155798A; DE19608228B4

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbau weise, deren Schrägstellung durch mindestens einen mit Stelldruck beaufschlagbaren Verstellkolben einstellbar ist, wobei in einer zu dem Verstellkolben führenden Leitung ein Stellventil angeordnet ist.

Axialkolbenmaschinen dieser Art finden vorrangig als Hydropumpen in hydraulischen Kreisläufen Verwendung. Während des Betriebs dieser Axialkolbenmaschinen erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Hubvolumen durch eine Änderung der Schrägstellung der Schrägscheibe an verschiedene Betriebszustände anpaßbar ist. Gebräuchlich sind hierzu mechanische oder hydraulische Verstelleinrichtungen, die mechanisch, hydrau lisch oder elektrisch ansteuerbar und betätigbar sind.

Hydraulische Verstelleinrichtungen weisen mindestens einen mit Stelldruck beauf schlagbaren Verstellkolben auf, der mit der Schrägscheibe in Eingriff steht und deren Schrägstellung und somit das Hubvolumen bestimmt. Zur Erzeugung des Stelldrucks ist in einer zu dem Verstellkolben führenden Leitung ein Stellventil angeordnet.

Bei gattungsgemäßen Axialkolbenmaschinen erweist es sich als vorteilhaft, zur besse ren Steuerung und Regelung der Hubvolumenverstellung diese elektrisch betätigbar auszuführen. Hierzu sind Systeme bekannt, die ein elektrisch betätigbares Ventil vor sehen, in der Regel ein von einem Proportionalmagneten angesteuertes Proportional ventil.

Bei dieser Verstellung wandelt der Proportionalmagnet ein elektrisches Steuersignal in eine Magnetkraft um, die ein Druckminderventil entgegen einer Federkraft auslenkt. Das Druckminderventil ist an eine Druckquelle angeschlossen und erzeugt in Abhän gigkeit von der Auslenkung einen Steuerdruck. Der Steuerdruck lenkt einen federkraft beaufschlagten Steuerkolben aus, dessen Weg über ein mechanisches Zwischenglied auf ein an der Schrägscheibe angeordnetes Stellventil übertragen wird. Der Steuerkol ben betätigt somit das Stellventil mechanisch. Das Stellventil erzeugt aus einem Ver sorgungsdruck einen Stelldruck, mit dem der Verstellkolben der hydraulischen Ver stelleinrichtung beaufschlagt wird. Die Schrägscheibe wird daher verstellt. Der Ver stellweg wird über eine Mechanik auf das Stellventil rückübertragen, wobei - abhängig vom Weg des Steuerkolbens - das Stellventil bei Erreichen der gewünschten Schräg stellung der Schrägscheibe wieder geschlossen wird.

Zur Erzeugung des Schwenkwinkels an der Schrägscheibe mittels des elektrischen Steuersignals sind bei diesen Systemen somit fünf Umwandlungen in der Signalkette nötig. Jede dieser Umwandlungen ist mit Toleranzabweichungen behaftet und benötigt Bauteile. In den federkraftbeaufschlagten Bauteilen tritt zudem Reibung auf, die sich bei diesen Systemen in Form von Hysterese auswirkt. Durch die Anordnung des Stell ventils unmittelbar an der Schrägscheibe ergibt sich ein hoher Bauaufwand für die Versorgungsdruckleitung und die zu den Verstellkolben führenden Leitungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch-hydraulische Verstellung der Schrägscheibe mit einem einfachen Aufbau zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stellventil elektrisch betätigbar ist.

Dadurch wird ein elektrisches Steuersignal mit einem Minimum an hydraulischen und mechanischen Zwischengliedern in eine Schrägstellung der Schrägscheibe umgewan delt.

Das elektrische Steuersignal betätigt unmittelbar das den Stelldruck zum Verstellkol ben beeinflussende Stellventil. Die Auslenkung des Stellventils bewirkt hierbei den Stelldruck, der an den Verstellkolben die gewünschte Schrägstellung der Schräg scheibe erzeugt. Die Signalkette erfordert bei dieser direkten Betätigung des Stell ventils nur drei Umwandlungen vom elektrischen Steuersignal zur gewünschten Schrägscheibenstellung.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das Stellventil durch einen Schrittmotor betätigbar auszuführen. Das elektrische Signal zur Ansteuerung des Schrittmotors besteht hierbei aus Zählimpulsen, die sich unabhängig von Reibungsein flüssen im Winkelweg der Abtriebswelle des Schrittmotors abbilden.

Zweckmäßig ist es dabei, daß das Stellventil als ein den Verstellkolben mit Stelldruck beaufschlagendes Drehschieberventil ausgebildet ist. Ein von einem Schrittmotor betä tigtes Drehschieberventil stellt eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung des Stell drucks an den Steuerkanten des Drehschieberventils dar.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn das Drehschieberventil eine drehbare Steuerwelle auf weist, wobei jeweils mindestens eine mit Versorgungsdruck und eine mit Tankdruck beaufschlagbare Nut vorgesehen ist, und eine die Steuerwelle am Außenumfang um gebende drehbare Hülse aufweist, wobei Nuten zur Beaufschlagung des Verstellkol bens mit Tank- oder Stelldruck vorgesehen sind. Durch eine Änderung des Drehwin kels der Steuerwelle relativ zur Hülse werden die Steuerkanten am Drehschieberventil gebildet, so daß sich Stelldruck zum Verstellkolben aufbaut oder dieser mit Tankdruck beaufschlagt wird.

Der Verstellkolben kann hierbei als ein doppelt wirkender Zylinder ausgeführt sein oder es können auch mehrere, beispielsweise beidseitig einer Schwenkachse der Schräg scheibe angeordnete, einfach wirkende Zylinder vorgesehen werden. Im ersten Fall sind die Nuten der Hülse mit dem Kolben- und dem Zylinderraum des Zylinders in Verbindung. Im letzteren Fall steht jeweils eine Nut mit dem Kolbenraum eines Zylin ders in Verbindung. Es kann in dieser Ausgestaltung des Drehschieberventils zudem vorgesehen werden, die Funktion der Steuerwelle und der Hülse zu vertauschen, in dem die Nuten an der Hülse mit Versorgungsdruck und mit Tankdruck in Verbindung stehen und die Nuten der Steuerwelle zur Beaufschlagung des Verstellkolbens vorge sehen sind.

Zweckmäßigerweise ist dabei eines der beiden drehbaren Bauteile des Drehschieber ventils mit der Abtriebswelle des Schrittmotors drehfest verbunden. Das elektrische Eingangssignal wird somit direkt in einen Drehwinkel des Drehschieberventils umge wandelt und erzeugt den Stelldruck für den Verstellkolben.

Von Vorteil ist es hierbei, wenn das weitere drehbare Bauteil des Drehschieberventils mit der Schrägscheibe in Eingriff steht. Mit dieser Anordnung ist es auf einfache Weise möglich, die Auslenkung der Schrittmotorwelle mit der Schrägstellung der Schräg scheibe zu vergleichen, so daß nur der Verstellkolben mit Stelldruck beaufschlagt ist, solange eine Differenz bezüglich der Drehwinkel der beiden Bauteile im Drehschieber ventil vorhanden ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abtriebswelle des Schrittmotors oder das mit dieser drehfest verbundene Bauteil des Drehschieber ventils mit einer die Abtriebswelle in eine Nullage bringenden Einrichtung in Wirkver bindung steht. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Abtriebswelle des Schrittmotors und das entsprechende Bauteil des Drehschieberventils z. B. bei einem Stromausfall in die Nullage zurückgezogen wird und somit die Schrägscheibe in die Nullage schwenkt.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Abtriebswelle des Schrittmotors oder das mit dieser drehfest verbundene Bauelement des Drehschieberventils mit einer den Drehwinkel und/oder die Nullage der Abtriebswelle überwachenden Einrichtung in Wirkverbindung steht. Es ist hiermit möglich, den Drehwinkel und/oder die Nullage der Abtriebswelle zu überwachen, falls der Schrittmotor elektrische Zählimpulse nicht in ei ne Drehbewegung am Drehschieberventil umwandelt. Es kann somit die Nullage in Si cherheitsroutinen stets korrigiert werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem mit der Schrägscheibe in Wirkverbindung stehenden drehbaren Bauteil des Drehschieber ventils und der Schrägscheibe ein mechanisches Getriebe angeordnet ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, die Übersetzung zwischen dem Drehwinkel der Abtriebs welle des Schrittmotors und der Schrägstellung der Schrägscheibe zu verändern. Ist beispielsweise eine Übersetzung zwischen der Schrägstellung der Schrägscheibe und dem Drehwinkel der Drehschieberventils am mechanischen Getriebe gewählt, wird ei ne gewünschte Auslenkung an der Schrägscheibe in einen entsprechend vergrößerten Drehwinkel am Drehschieberventil abgebildet. Hierdurch wird eine schnelle Verstellung der Schrägscheibe bei einer hohen Genauigkeit erreicht. Zudem ergibt sich die Mög lichkeit, die Abmessungen des Drehschieberventils und des Schrittmotors gegebenen falls zu reduzieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abtriebswelle des Schrittmotors mit der drehbaren Steuerwelle des Drehschieberventils drehfest verbunden und steht die Hülse des Drehschieberventils mit der Schrägscheibe in Eingriff. Mit dieser Ausgestal tung wird ein einfacher Aufbau der Verstelleinrichtung der Axialkolbenmaschine er möglicht.

Zudem kann das Drehschieberventil und der Schrittmotor von der Schrägscheibe ge trennt am Gehäuse der Axialkolbenmaschine angeordnet werden, wodurch sich der Bauaufwand für die Steuerdruckleitung und die zu den Verstellkolben führenden Lei tungen erheblich reduziert. Hierbei kann das Drehschieberventil mit dem Schrittmotor am Gehäuse derart angeordnet sein, daß die Längsachse des Drehschieberventils zu der Rotationsachse der Axialkolbenmaschine senkrecht steht und gegebenenfalls mit der Schwenkachse der Schrägscheibe fluchtet oder parallel zu dieser ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den Schrittmotor mit dem Drehschieberventil parallel zur Rotationsachse der Axialkolbenmaschine anzuordnen. Diese Anordnung erweist sich besonders vorteilhaft, da hierdurch der Bauraum, insbe sonders die Bauhöhe der Axialkolbenmaschine erheblich reduziert wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schemati schen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Axialkobenmaschine und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 1-1 gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Schaltskizze des Stellventils.

Fig. 1 zeigt eine Axialkolbenmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen elektrisch be tätigbaren Stellventil 2. Das als Drehschieberventil 3 ausgebildete Stellventil ist erfin dungsgemäß mittels eine Schrittmotors 4 betätigbar. Die Schrägscheibe 5 ist durch mehrere beidseitig einer Schwenkachse der Schrägscheibe angeordnete Verstellkol ben 6 in der Schrägstellung einstellbar.

Das Drehschieberventil 3 beinhaltet eine drehbare Steuerwelle 7 und eine die Steuer welle am Außenumfang umgebende drehbare Hülse 8. An der Steuerwelle 7 ist eine Nut 9 vorgesehen, die durch eine an der Hülse 8 angeordnete ringförmige Nut 10 und eine Versorgungsdruckleitung 11 mit einem von einer nicht mehr dargestellten Hilfs pumpe gelieferten Versorgungsdruck beaufschlagbar ist. Eine der Nut 9 axial versetzte Nut 12 steht durch eine an der Hülse 8 angeordnete ringförmige Nut 13 und einer Lei tung 14 mit dem Gehäuse der Axialkolbenmaschine in Verbindung.

An der Hülse 8 befinden sich weiterhin zwei ringförmige Nuten 15, 16, die mit den an der Steuerwelle angeordneten Nuten 9, 12 in Verbindung gebracht werden können und mit jeweils einer Leitung 17, 18 mit den Verstellkolben 6 verbunden sind.

Die Abtriebswelle 19 des Schrittmotors 4 ist in der gezeigten Ausführungsform mit der Steuerwelle 7 des Drehschieberventils 3 drehfest verbunden.

An der Schrägscheibe 5 ist ein Bauteil 20 angeordnet, das mit der Hülse 8 drehfest in Verbindung steht. Das Drehschieberventil 3 und der Schrittmotor 2 sind am Gehäuse der Axialkolbenmaschine angeordnet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Drehschieberventil 3 so ange ordnet, daß die Längsachse 21 des Schrittmotors und des Drehschieberventils senk recht zu einer Rotationsachse 22 der Axialkolbenmaschine 1 verläuft und mit der Schwenkachse der Schrägscheibe 5 fluchtet. Der vom Schrittmotor am Drehschieber ventil eingestellte Drehwinkel entspricht bei dieser Ausgestaltung dem Schwenkwinkel der Schrägscheibe bezüglich deren Schwenkachse.

Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 2 zeigt eine Anordnung, in der die Längsachse 21 des Schrittmotors und des Drehschieberventils parallel zur Rotations achse 22 der Axialkolbenmaschine 1 ist. Zur Vereinfachung sind im weiteren gleiche Bauteile mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. An der Schrägscheibe 5 ist ein Getriebebauteil 23 befestigt, das mit der Hülse 8 des Drehschieberventils in Verbin dung steht.

Gemäß Fig. 3 ist das Getriebebauteil 23 im Bereich des Drehschieberventils kugel förmig ausgebildet und steht mit der Hülse 8 des Drehschieberventils über eine nut förmige Aussparung 24 in Verbindung. Bei dieser Ausgestaltung ist zudem eine Über setzung im Bereich von 1 : 2 zwischen der Schrägstellung der Schrägscheibe und dem Drehwinkel des Drehschieberventils vorgesehen. Dadurch entspricht ein Drehwinkel von 40° am Drehschieberventil gemäß der Getriebeübersetzung einer Auslenkung von 20° an der Schrägscheibe.

In Fig. 4 ist eine mögliche Schaltskizze des Stellventils gezeigt.

Die Steuerwelle 7 des Drehschieberventils 3 weist zwei um 180° versetzte Nuten 9a, 9b auf, die über eine Leitung 11 mit einem von einer Hilfspumpe 22 erzeugten Versor gungsdruck beaufschlagt sind. Zu diesen Nuten sind um 90° versetzt ebenfalls zwei Nuten 12a, 12b angeordnet, die über eine Leitung 14 mit einem Tank 23 oder dem Gehäuse der Axialkolbenmaschine 1 in Verbindung stehen.

Die Hülse 8 des Drehschieberventils 3 weist jeweils zwei um 180° versetzte Nuten 15a, 15b und 16a, 16b auf, die über Leitungen 17 und 18 mit den beidseitig der Schwenkachse der Schrägscheibe 5 angeordneten Verstellkolben 6a, 6b verbunden sind.

Zur Verstellung der Schrägscheibenstellung wird ein aus Zählimpulsen gebildetes elek trisches Eingangssignal im Schrittmotor 4 zu einem der Anzahl der Zählimpulse ent sprechenden Drehwinkel der Abtriebswelle 19 und der mit dieser drehfest verbunde nen Steuerwelle 7 des Drehschieberventils 3 umgewandelt. Wird dabei die Steuerwelle 7 beispielsweise im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 2 ausgelenkt, strömt Stelldruck von der Hilfspumpe 22, der Leitung 11, den Nuten 9a und 9b in die Nuten 15a und 15b und somit über die Leitung 17 in den Kolbenraum des Verstellkolbens 6b. Gleichzeitig wird eine Verbindung des Verstellkolbens 6a über die Leitung 18, die Nuten 16a und 16b, die Nuten 12a und 12b, die Leitung 14 zu einem Tank 23 hergestellt. Die Schräg scheibe schwenkt hierdurch in Richtung 24 aus. Durch die mechanische Kopplung der Hülse 8 des Drehschieberventils 3 mit der Schrägscheibe 5 über das in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigte Bauelement 20 und 23 wird gleichzeitig die Hülse 8 in Abhängigkeit der Schrägscheibenstellung gedreht und schließt bei Erreichen der gewünschten Schrägscheibenstellung die Steuerkanten am Drehschieberventil.

Claims

1. Hydrostatische Axialkolbenmaschine (1) in Schrägscheibenbauweise mit einer Schrägscheibe (5), deren Schrägstellung durch mindestens einen mit Stelldruck beaufschlagbaren Verstellkolben (6) einstellbar ist, wobei in einer zu dem Verstell kolben führenden Leitung ein Stellventil (2) angeordnet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Stellventil (2) elektrisch betätigbar ist.

2. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellventil (2) durch einen Schrittmotor (4) betätigbar ist.

3. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellventil (2) als ein den Verstellkolben (6) mit Stelldruck beaufschlagen des Drehschieberventil (3) ausgebildet ist.

4. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehschieberventil (3) eine drehbare Steuerwelle (7) aufweist, wobei je weils mindestens eine mit Versorgungsdruck und eine mit Tankdruck beauf schlagbare Nut (9, 12) vorgesehen ist, und eine die Steuerwelle am Außenumfang umgebende drehbare Hülse (8) aufweist, wobei Nuten (15, 16) zur Beaufschlagung des Verstellkolbens (6) mit Tank- oder Stelldruck vorgesehen sind.

5. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden drehbaren Bauteile (7, 8) des Drehschieberventils (3) mit ei ner Abtriebswelle (19) des Schrittmotors (4) drehfest verbunden ist.

6. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere drehbare Bauteil (7, 8) des Drehschieberventils (3) mit der Schrägscheibe (5) in Wirkverbindung steht.

7. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (19) des Schrittmotors (4) oder das damit drehfest verbun dene drehbare Bauteil des Drehschieberventils mit einer die Abtriebswelle in eine Nullage bringenden Einrichtung in Wirkverbindung steht.

8. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (19) des Schrittmotors (4) oder das mit dieser Abtriebswelle drehfest verbundene Bauteil des Drehschieberventils mit einer den Drehwinkel und/oder die Nullage der Abtriebswelle überwachenden Einrichtung in Wirkverbin dung steht.

9. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mit der Schrägscheibe (5) in Wirkverbindung stehenden dreh baren Bauteil des Drehschieberventils und der Schrägscheibe ein mechanisches Getriebe angeordnet ist.

10. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehschieberventil (2) und der Schrittmotor (4) am Gehäuse der Axial kolbenmaschine angeordnet sind.

11. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (21) des Drehschieberventils und des Schrittmotors senk recht zu einer Rotationsachse (22) der Axialkolbenmaschine (1) und parallel zu einer Schwenkachse der Schrägscheibe angeordnet ist.

12. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (21) des Drehschieberventils und des Schrittmotors parallel zu der Rotationsachse (22) der Axialkolbenmaschine (1) angeordnet ist.

13. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (19) des Schrittmotors (4) mit der drehba ren Steuerwelle (7) des Drehschieberventils (3) drehfest verbunden ist und die Hülse (8) des Drehschieberventils (3) mit der Schrägscheibe (5) in Eingriff steht.