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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine
derartige, als Radialkolbenpumpe ausgebildete hydraulische Arbeitsmaschine
ist beispielsweise aus der
DE
40 41 800 C2 bekannt. Diese herkömmliche Lösung hat in Zylindern geführte Kolben, die
paarweise diametral entgegengesetzt angeordnet und über eine
Exzenterwelle angetrieben sind. Die Kolben/Zylinderanordnungen begrenzen
jeweils einen Arbeitsraum mit sich zyklisch änderndem Volumen, der jeweils
mit einem Niederdruckanschluss und einem Hochdruckanschluss verbunden
ist. Die Arbeitsräume
sind über
einen Verbindungskanal verbunden, in dem ein elektronisch angesteuertes,
aus einer Offenstellung gegen die Kraft einer Rückstellfeder in eine Sperrstellung
betätigbares
Sperrventil vorgesehen ist, das über
eine elektronische Steuereinheit ansteuerbar ist. Ist das Schaltventil
in seiner Offenstellung findet keine Druckmittelförderung
zum Hochdruckanschluss statt, da lediglich Druckmittel über die
Verbindungsleitung zwischen den Arbeitsräumen der Kolben/Zylinderanordnungen
verschoben wird. Bei geschlossenem Sperrventil wird Druckmittel
zu dem Hochdruckanschluss gefördert.
Nachteilig bei derartigen hydraulischen Arbeitsmaschinen ist, dass
die den Kolben/Zylinderanordnungen zugeordneten Schaltventile gemeinsam
betätigt
werden, so dass lediglich eine stufenweise Veränderung des Fördervolumenstromes
ermöglichen
ist. Des Weiteren tritt eine hohe Pulsation des Förder- oder
Saugvolumenstromes auf.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Arbeitsmaschine zu
schaffen, bei der eine verbesserte Steuerung des Förder- oder
Saugvolumenstromes mit minimalem fertigungstechnischem Aufwand ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine hydraulische Arbeitsmaschine mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Arbeitsmaschine
hat eine Vielzahl von Arbeitsräumen
mit sich zyklisch änderndem
Volumen, die jeweils mit einem Niederdruckanschluss und einem Hochdruckanschluss
verbunden sind, zwischen denen Verbindungskanäle (
36) vorgesehen
sind, in denen jeweils ein elektronisch angesteuertes Sperrventil
angeordnet ist, das über
eine elektronische Steuereinheit ansteuerbar ist. Erfindungsgemäß ist jedes
Sperrventil über
die elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit des sich ändernden
Volumens jedes Arbeitsraumes individuell ansteuerbar, so dass eine
Veränderung
des Schluck- oder Fördervolumenstroms
zwischen einem Leerlaufmodus, in dem das nutzbare Volumen eines
Arbeitsraumes im Wesentlichen in den anderen Arbeitsraum verschoben
wird und einem Vollmodus, in dem im Wesentlichen das ganze nutzbare
Volumen der Arbeitsräume
verwendet wird, erreicht ist. Das heißt, der Leerlaufmodus oder
ein partieller Modus wird dadurch realisiert, dass über ein
durch die elektronische Steuereinheit angesteuertes Sperrventil das
Volumen eines Arbeitsraumes zeitlich gesteuert vollständig oder
partiell in den anderen Arbeitsraum des Arbeitsraumpaares ausgeschoben
wird, um den zeitgemittelten effektiven Durchfluss durch die Maschine
zu ändern
und eine geringe Pulsation des Förder-
oder Saugvolumenstromes zu erreichen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass
eine im Wesentlichen stetige Veränderung
des Förder-
oder Saugvolumens bei geringer Pulsation mit minimalem fertigungstechnischen
Aufwand erreicht wird, da die Sperrventile gegenüber dem Stand der Technik gemäß der
DE 40 41 800 C2 einzeln
ansteuerbar sind.
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Die
hydraulische Arbeitsmaschine kann beispielsweise als Radialkolbenmaschine,
insbesondere als Radialkolbenpumpe, ausgebildet sein, wobei die Arbeitsräume vorzugsweise
von in Zylindern hin- und herbewegbaren Kolben begrenzt sind.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird in einem Teilmodus nur ein Teil des nutzbaren
Volumens der Arbeitsräume
verschoben.
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Vorteilhafterweise
werden die Sperrventile drehfeldartig und pulsationsoptimiert angesteuert.
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Die
Sperrventile verbinden beispielsweise jeweils unmittelbar aufeinander
folgende Arbeitsräume miteinander.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
ist die Anzahl der Arbeitsräume
geradzahlig und ein Sperrventil verbindet zwei um 180° gegeneinander
versetzte Arbeitsräume
miteinander.
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Das
Sperrventil öffnet
im Teilmodus vorzugsweise eine definierte Zeit vor dem oberen Totpunkt des
Kolbens, wobei ein Teil des nutzbaren Volumens in den anderen Arbeitsraum
verschoben wird (Phasenabschnittssteuerung). Dadurch werden beispielsweise
im Pumpenbetrieb die niederdruckseitigen Kolbenräume bei Leerlauf und Teilförderung
vorgefüllt, so
dass eine Verbesserung des Wirkungsgrades, des Saugvermögens und
der Kavitationsbeständigkeit
erreicht wird. Da das Schalten des Leerlaufs oder der Teilförderung
zu jedem Zeitpunkt der Verdrängung möglich ist,
kann neben der Phasenabschnittssteuerung auch eine Phasenanschnittssteuerung
und/oder eine Phasenausschnittssteuerung realisiert werden.
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Bei
einer Phasenanschnittssteuerung ist das Sperrventil im Teilmodus
eine definierte Zeit nach dem unteren Totpunkt des Kolbens geöffnet, so
dass ein Teil des nutzbaren Volumens in den anderen Arbeitsraum
verschoben wird.
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Gemäß einer
Ansteuervariante mit Phasenausschnittssteuerung öffnet das Sperrventil im Teilmodus
eine definierte Zeit zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt
des Kolbens, so dass ein Teil des nutzbaren Volumens in den anderen
Arbeitsraum verschoben wird. Durch eine Kombination der Phasenanschnitts-,
Phasenabschnitts- und/oder Phasenausschnittssteuerung können die
Möglichkeiten
zur Beeinflussung des Förder-
oder Saugvolumens und der Pulsationsminimierung weiter verbessert
werden.
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Die
elektronische Steuereinheit steuert das Sperrventil vorzugsweise
in Abhängigkeit
einer Kennlinie, einem Programm oder einer Sollwertvorgabe für Druck-
und oder Volumenstrom an. Der Schaltmodus wird vorzugsweise von
einer Elektronik und einem Regleralgorithmus (Rechnerprogramm) so
gewählt,
dass ein möglichst
pulsationsarmer Summen-Förder-Volumenstrom
einer Pumpe oder Summen-Schluck-Volumenstrom eines Hydromotors erzielt
wird.
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Bei
einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
weist die hydraulische Arbeitsmaschine eine geradzahlige Anzahl
von Arbeitsräumen,
d.h. zumindest zwei Arbeitsräume,
auf, die jeweils über
einen Verbindungskanal verbunden sind.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Sperrventil
als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Sperrventil
magnetisch betätigbar.
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Die
Auslass- und/oder Zuführleitungen
der Arbeitsräume
sind bei einer Ausführung
der Erfindung zu einer Niederdruck- bzw. Hochdruckhauptleitung zusammengefasst.
Dadurch kann die Pulsation des Summen-Förder-Volumenstroms einer Pumpe oder des Summen-Schluck-Volumenstroms
eines Hydromotors weiter verringert werden.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand dreier bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer als Radialkolbenpumpe ausgebildeten
erfindungsgemäßen hydraulischen
Arbeitsmaschine nach einer ersten Ausführungsform;
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2 eine
schematische Darstellung einer Radialkolbenpumpe nach einer zweiten
Ausführungsform;
und
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3 eine
schematische Darstellung einer Radialkolbenpumpe nach einer dritten
Ausführungsform.
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Die 1 zeigt
eine als Radialkolbenpumpe 1 ausgebildete erfindungsgemäße hydraulische
Arbeitsmaschine nach einer ersten Ausführungsform mit einer geradzahligen
Anzahl von diametral entgegengesetzt angeordneten Zylindern 2, 4,
in denen jeweils ein Kolben 6, 8 verschiebbar
geführt
ist, der mit den Zylindern 2, 4 jeweils einen
Arbeitsraum 10, 12 mit sich zyklisch änderndem
Volumen begrenzt, wobei in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich
zwei Zylinder/Kolbenanordnungen dargestellt sind. Jeder Arbeitsraum 10, 12 ist über eine
Hochdruckleitung 14, 16 mit einem gemeinsamen
Hochdruckanschluss P (Druckanschluss) und über eine Niederdruckleitung 18, 20 mit
einem gemeinsamen Niederdruckanschluss S (Sauganschluss) verbunden.
In den Hochdruckleitungen 14, 16 ist jeweils ein in
Richtung der Arbeitsräume 10, 12 sperrendes Rückschlagventil 22, 24 angeordnet,
das als Druckventil wirkt und eine Druckmittelrückströmung von dem Hochdruckanschluss
P in die Arbeitsräume 10, 12 verhindert.
In den Niederdruckleitungen 18, 20 ist jeweils
ein in Richtung der Arbeitsräume 10, 12 öffnendes,
als Saugventil arbeitendes Rückschlagventil 26, 28 angeordnet.
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Die
Kolben 6, 8 werden über eine Antriebswelle 29 angetrieben,
die im Bereich der Kolben 6, 8 mit einem Exzenter 30 versehen
ist, so dass sie über Kolbenstangen 32, 34,
gegen die die Kolben 6, 8 mit einem Kolbenfuß vorgespannt
sind, bei der Drehbewegung der Exzenterwelle 30 eine gegenläufige Ein- und
Ausfahrbewegung ausführen.
Die Arbeitsräume 10, 12 sind
jeweils über
eine Verbindungsleitung 36 verbunden, in der ein elektronisch
angesteuertes, aus einer dargestellten Offenstellung in eine Sperrstellung
betätigbares
Sperrventil 38 vorgesehen ist, das über eine nicht dargestellte
elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit des sich ändernden
Volumens jeder der Arbeitsräume 10, 12 ansteuerbar
ist. Jedes der einem Zylinder/Kolbenpaar zugeordneten Sperrventile 38 ist über die
elektronische Steuereinheit individuell ansteuerbar, so dass eine
Veränderung
des Fördervolumenstroms
zwischen einem Leerlaufmodus, in dem das nutzbare Volumen eines Arbeitsraumes 10, 12 im
Wesentlichen in den anderen Arbeitsraum 12, 10 verschoben
wird und einem Vollmodus, in dem im Wesentlichen das ganze nutzbare
Volumen der Arbeitsräume 10, 12 verwendet wird,
erreicht ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn
das Sperrventil 38 als magnetisch betätigbares 2/2-Wegeventil ausgebildet
ist.
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Zum
besseren Verständnis
der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine 1 sei
im Folgenden kurz deren Funktion beschrieben.
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Gemäß der 1 befindet
sich der obere Kolben 6 im oberen Totpunkt, so dass der
Arbeitsraum 10 sein kleinstes und der Arbeitsraum 12 sein maximales
Volumen aufweist. Der Kolben 6 bewegt sich während der
Drehbewegung der Antriebswelle 30 in Richtung des Exzenters.
Der Arbeitsraum 10 vergrößert sich, wobei das als Saugventil
arbeitende Rückschlagventil 26 durch
den entstehenden Unterdruck öffnet.
Druckmittel strömt
von dem Niederdruckanschluss S über
die Niederdruckleitung 18 und das geöffnete Saugventil 26 in
den sich vergrößernden
Arbeitsraum 10. Der Kolben 8 befindet sich im
unteren Totpunkt, der Arbeitsraum 12 ist vollständig mit
Druckmittel gefüllt.
Das Saugventil 28 ist geschlossen. Mit der Drehbewegung der
Antriebswelle 30 wird der Kolben 8 über den
Exzenter 30 und die Kolbenstange 34 in Richtung
oberer Totpunkt bewegt. Bei geöffnetem
Sperrventil 38 (siehe Figur) wird das nutzbare Volumen
des Arbeitsraumes 12 über
die Verbindungsleitung 36 in den Arbeitsraum 10 des
Kolbens 6 verschoben, so dass in der Offenstellung des
Sperrventils 38 kein Druckmittel zu dem Hochdruckanschluss
P gefördert
wird (Leerlaufmodus). Die Druckventile 22, 24 sind
hierbei beispielsweise feder- oder druckbelastet geschlossen. Wird nun
das Sperrventil 38 geschlossen, so dass die Druckmittelverbindung
zwischen den Arbeitsräumen 10, 12 über die
Verbindungsleitung 36 unterbrochen ist, so wird im Wesentlichen
das ganze nutzbare Volumen des Arbeitsraumes 12 verschoben
und die volle Fördermenge
steht zur Verfügung
(Vollmodus). Hierbei wird das Druckmittel im Arbeitsraum 12 über das
als Druckventil arbeitende Rückschlagventil 24 und
die Hochdruckleitung 16 vollständig zu dem Hochdruckanschluss
P gefördert.
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In
einem Teilmodus wird nur ein Teil des nutzbaren Volumens der Arbeitsräume 10, 12 verschoben.
Das Sperrventil 38 öffnet
im Teilmodus beispielsweise eine definierte Zeit vor dem oberen
Totpunkt des Kolbens 8, wobei ein Teil des nutzbaren Volumens über die
Verbindungsleitung 36 in den Arbeitsraum 10 des
Kolbens 6 verschoben wird (Phasenabschnittssteuerung).
Dadurch wird der Arbeitsraum 10 vorgefüllt, so dass eine Verbesserung
des Wirkungsgrades, des Saugvermögens
und der Kavitationsbeständigkeit
erreicht ist.
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Da
das Schalten des Leerlaufs oder der Teilförderung zu jedem Zeitpunkt
der Verdrängung
möglich
ist, kann neben der Phasenabschnittssteuerung auch eine Phasen-anschnittssteuerung
und eine Phasenausschnittssteuerung realisiert werden. Bei einer
Phasenanschnittssteuerung bleibt das Sperrventil 38 eine
definierte Zeit nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 8 geöffnet, so
dass ein Teil des nutzbaren Volumenstromes über die Verbindungsleitung 36 in
den Arbeitsraum 10 des Kolbens 6 verschoben wird.
Anschließend
wird das Sperrventil 38 geschlossen und das Restvolumen über die
Hochdruckleitung 16 und das öffnende Druckventil 24 zu dem
Hochdruckanschluss P gefördert
(Teilmengenförderung).
Gemäß einer
Ansteuervariante mit Phasenausschnittssteuerung öffnet das Sperrventil 38 im Teilmodus
eine definierte Zeit zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt
des Kolbens 8, so dass ein Teil des nutzbaren Volumenstromes
in den anderen Arbeitsraum 10 verschoben wird. Anschließend wird das
Sperrventil 38 ebenfalls wieder geschlossen und das Restvolumen über die
Hochdruckleitung 16 und das öffnende Druckventil 24 zu
dem Hochdruckanschluss P gefördert.
Die elektronische Steuereinheit steuert das Sperrventil 38 hierbei
in Abhängigkeit
einer Kennlinie, einem Programm oder einer Sollwertvorgabe für Druck-
und oder Volumenstrom an. Durch Kombination der Phasenanschnitts-,
Phasenabschnitts- und/oder Phasenausschnittssteuerung können die
Möglichkeiten
zur Beeinflussung des Fördervolumens
und der Volumenstrompulsation weiter verbessert werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
einer hydraulischen Arbeitsmaschine ist in 2 gezeigt.
Diese Radialkolbenmaschine 1 weist im Gegensatz zu der ersten
Ausführungsform
in 1 eine ungerade Anzahl von Zylindern 40, 42, 44, 46, 48 auf,
welche sternförmig
um die Antriebswelle 29 herum angeordnet sind. Jeder Arbeitsraum 50 eines
Zylinders 40–48 ist über eine
Verbindungsleitung 52, in der ein Sperrventil 54, 56, 58, 60, 62 vorgesehen
ist, mit dem Arbeitsraum 50 seines jeweils benachbarten
Zylinder 40–48 verbunden.
Beispielsweise ist zwischen dem Zylinder 42 und seinem,
in Rotationsrichtung (s. 2) der Antriebswelle betrachtet,
benachbarten Zylindern 44 das Sperrventil 56 angeordnet.
Gegen die Rotationsrichtung betrachtet, ist Zylinder 40 der Nachbarzylinder
von Zylinder 42, wobei zwischen diesen das Sperrventil 54 zwischengeschaltet
ist. Die Sperrventile 54, 56 stellen im geöffneten
Zustand jeweils eine Verbindung der Arbeitsräume der Zylinder 40, 42 bzw.
der Zylinder 42, 44 her. Die Sperrventile 54–62 können dabei
jeweils einzeln, unabhängig voneinander
und zeitlich variabel geregelt bzw. gesteuert werden. Im Betrieb
der Radialkolbenpumpe 1 ist es daher möglich diese drehfeldartig, d.
h. fortlaufend um die Rotationsachse der Antriebswelle 29, und
pulsationsoptimiert anzusteuern.
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Nutzbares
Volumen wird hierbei entweder von einem Zylinder 40 in
Drehrichtung (s. 2) gesehen zum nächsten Zylinder 42 voreilend,
zum nächsten
Zylinder 48 gegen die Drehrichtung gesehen nacheilend oder
gleichzeitig zu diesen beiden benachbarten Zylinder 42, 48 verschoben.
Bei einer voreilender Ansteuerung wird beispielsweise Sperrventil 56 geöffnet, nach
einer gewissen Zeit wieder geschlossen und dafür Sperrventil 58 geöffnet und
so weiter. Die Ansteuerung der Sperrventile 54–62 ist variabel,
womit die unterschiedlichsten Variationen möglich sind und auch nicht benachbarte
Sperrventile 54–62 gleichzeitig
oder zeitlich versetzt geöffnet und
geschlossen werden können.
Eine vollständige Leerlaufschaltung
bzw. idle mode wie in dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 ist
hierbei nicht möglich,
da die Arbeitsräume 50 der
Zylinder 40–48 unterschiedliche
hohe Volumenänderung
während
der Rotation aufweisen und die Differenz der Volumenänderung
aller Arbeitsräume 50 nicht
Null ergibt, sondern etwas größer ist.
Es ist jedoch denkbar, dass die Differenz der Volumenänderung
durch die Kompressibilität
des Druckmittels kompensiert wird.
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In 3 wird
ein drittes Ausführungsbeispiel offenbart,
mit einer Radialkolbenmaschine 1 welche drei Zylinder 64, 66, 68 aufweist,
zwischen denen die Sperrventile 70, 72, 74 angeordnet
sind. Diese Radialkolbenmaschine 1 hat prinzipiell den
gleichen Aufbau wie die Radialkolbenmaschine 1 aus 2,
so dass hinsichtlich einer Detailbeschreibung auf die Ausführung zu 2 verwiesen
wird.
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Die
erfindungsgemäße Arbeitsmaschine 1 ist nicht
auf die beschriebene Radialkolbenpumpen beschränkt, vielmehr kann die Arbeitsmaschine 1 als Radialkolbenmotor
oder Axialkolbenmaschine ausgebildet sein. Des Weiteren ist die
Erfindung nicht auf Kolbenmaschinen beschränkt, beispielsweise kann die
Arbeitsmaschine als Flügelzellenpumpe
oder Flügelzellenmotor
ausgebildet sein. Auch im Pneumatikbereich ist ein Einsatz dieser
Arbeits maschine 1 möglich,
wobei anstelle von Druckflüssigkeit
Druckluft verwendet wird. Eine weitere Einsatzmöglichkeit dieser Arbeitsmaschine 1 wäre als Klimakompressor denkbar.
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Offenbart
ist eine hydraulische Arbeitsmaschine 1 mit einer Vielzahl
von Arbeitsräumen 10, 12 mit
sich zyklisch änderndem
Volumen, die über
zumindest einen Verbindungskanal 36 verbunden sind, in
dem ein elektronisch angesteuertes Sperrventil 38 vorgesehen
ist, das über
eine elektronische Steuereinheit ansteuerbar ist. Erfindungsgemäß ist jedes Sperrventil 38 über die
elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit des sich ändernden
Volumens jedes Arbeitsraumes 10, 12 individuell
ansteuerbar, so dass eine Veränderung
des Schluck- oder Fördervolumenstroms
zwischen einem Leerlaufmodus und einem Vollmodus erreicht ist.
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- 1
- Radialkolbenpumpe
- 2
- Zylinder
- 4
- Zylinder
- 6
- Kolben
- 8
- Kolben
- 10
- Arbeitsraum
- 12
- Arbeitsraum
- 14
- Hochdruckleitung
- 16
- Hochdruckleitung
- 18
- Niederdruckleitung
- 20
- Niederdruckleitung
- 22
- Rückschlagventil
- 24
- Rückschlagventil
- 26
- Rückschlagventil
- 28
- Rückschlagventil
- 29
- Antriebswelle
- 30
- Exzenter
- 32
- Kolbenstange
- 34
- Kolbenstange
- 36
- Verbindungsleitung
- 38
- Sperrventil
- 40
- Zylinder
- 42
- Zylinder
- 44
- Zylinder
- 46
- Zylinder
- 48
- Zylinder
- 50
- Arbeitsraum
- 52
- Verbindungsleitung
- 54
- Sperrventil
- 56
- Sperrventil
- 58
- Sperrventil
- 60
- Sperrventil
- 62
- Sperrventil
- 64
- Zylinder
- 66
- Zylinder
- 68
- Zylinder
- 70
- Sperrventil
- 72
- Sperrventil
- 74
- Sperrventil