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Die vorliegende Erfindung ist auf einen Schrägscheiben-Winkelsensor für eine variabel verstellbare Hydraulikeinheit mit einer Schrägscheibe gerichtet, die einen stabförmigen Rückkopplungsstift aufweist, der fest an der schwenkbaren Schrägscheibe angebracht ist. Der Winkelsensor weist einen Magneten auf, der auf einem um eine Sensorachse drehbaren Magnethalter befestigt ist, und einen Sensor zum Erfassen der Ausrichtung des Magnetes gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
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Schrägscheiben-Winkelsensoren dienen der Steuerung variabel verstellbarer Hydraulikmotoren oder Pumpen.
US 2004/0115065 A1 beschreibt eine variabel verstellbare Pumpeneinheit, in welcher die Winkelposition der Schrägscheibe mit einem Magnetsensor gemessen wird. Zu diesem Zweck ist ein Magnet auf der Schrägscheibe montiert und rotiert mit der Schrägscheibe. Ein Halbleiterchip ist im Gehäuse in der Nähe des Magnets angebracht. Eine Steuerung leitet einen Strom durch den Halbleiterchip und bestimmt die Spannung über dem Chip. Diese Spannung hängt gemäß dem Hall-Effekt von der relativen Position des Chips im Magnetfeld ab und wird verwendet, um den Winkel des Magnets und somit der Schrägscheibe relativ zum Chip und somit zum Gehäuse zu bestimmen.
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DE 10 2013 220 298 A1 beschreibt eine Schrägachsenhydraulikeinheit, in welcher die Position des Verstellelements ebenfalls durch magnetische Mittel bestimmt wird. Hier ist der Magnet am Ende eines hohlen Rohres befestigt, welches drehbar auf dem Servokolben angeordnet ist, welcher die Winkelposition der Schrägscheibe steuert. Das Rohr hat einen längsgerichteten Schlitz, der in einem Winkel zu der Rohrachse ausgerichtet ist. Eine Nocke, die mit dem Servokolben verbunden ist, steht in das Rohr hervor. Eine Längsverschiebung des Servokolbens verbringt das Rohr mit dem Magneten eine Drehung. Diese Drehung wird durch einen Magnetsensor, der auf dem Steuerblock der hydraulischen Einheit angeordnet ist, erfasst.
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In
DE 101 19 239 C1 ist eine variabel verstellbare Hydraulikeinheit beschrieben, welche einen Zylinderblock zeigt, der um eine Achse verschwenkbar ist, um die Verstellung der Einheit zu steuern. Ein nicht spezifizierter Drehsensor für die Bestimmung des Schrägwinkels des Zylinderblocks ist auf dem Gehäuse der hydraulischen Einheit befestigt. Der bewegliche Teil dieses Sensors ist koaxial zum Schwenkwinkel des Zylinderblocks und ist mit einem Halter des Zylinderblocks mittels eines Kabels verbunden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Schrägscheiben-Winkelsensoren sind relativ kompliziert und haben einen großen Bauraumbedarf und sind, aufgrund ihrer relativ komplizierten Ausgestaltung, ebenfalls relativ teuer, wenn sie nicht in eine Rotationswelle, um welche die Schrägscheibe oder das Verstellelement drehbar sind, integriert werden können. Sie sind zudem Ungenauigkeiten unterworfen, aufgrund von Herstelltoleranzen und Verschleiß während des Betriebs der hydraulischen Einheit. Im Allgemeinen ist es auch nicht möglich, solche ohne größeren Aufwand in bereits existierende Hydraulikeinheiten zu installieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine variabel verstellbare Hydraulikeinheit bereitzustellen, die genau und zuverlässig ist und gleichzeitig in der Lage ist, Verschleiß- und Produktionstoleranzen zu kompensieren. Zusätzlich soll der erfindungsgemäße Schrägscheiben-Winkelsensor geeignet sein, zu geringen Kosten produziert und installiert zu werden und gegebenenfalls in bereits existierende hydraulische Einheiten der Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauart installiert zu werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung wird durch einen Schrägscheiben-Winkelsensor in einer variabel verstellbaren Hydraulikeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt und ist gekennzeichnet durch die Merkmale, welche im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist diese Lösung einen Magnethalter auf, der in einem Steuerblock, der am Gehäuse der hydraulischen Einheit befestigt ist, angeordnet ist und um eine Sensorachse drehbar ist. Ein mechanisches Verbindungselement, bevorzugt in der Art einer Verbindungsfeder, stellt eine Verbindung zwischen dem Rückkopplungsstift, der an der Schrägscheibe befestigt ist, und einem Magnethalter her, so dass mittels des Rückkopplungsstifts ein Schwenken der Schrägscheibe eine Drehung des Magnethalters bewirkt wird. Durch die Drehung des Magnethalters wird ein Magnet um die Sensorachse gedreht, womit eine Veränderung des Messwertes, hier z. B. die Spannung, am Sensor bewirkt wird.
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Hydraulische Einheiten der Schrägscheibenbauart als auch hydraulische Einheiten der Schrägachsenbauart können normalerweise um eine Drehachse verschwenkt werden, um ihr Verdrängungsvolumen zu ändern. Hierbei schwenkt das Verstellelement dieser hydraulischen Einheiten, z. B. die Schrägscheibe, um eine Achse, welche entfernt von dem Betätigungsmittel angeordnet ist, die die Verstellung ausführen. In vielen Fällen ist die Schwenk-Mittellinie in einem Bereich, der unter Druck stehenden und/oder drehenden Elemente der hydrostatischen Einheit angeordnet. Daher gibt es in vielen Fällen keinen adäquaten Bauraum, um sensible Winkelsensormittel in der Nähe der Mittelachse anzuordnen. Andererseits ist es kompliziert, dies auszuführen, ohne das Design der hydrostatischen Einheit zu verändern und/oder zu vergrößern oder um den Winkelsensor davor zu schützen, beschädigt zu werden. In anderen Ausgestaltungen von hydraulischen Einheiten ist die Seite des Gehäuses, die in der Nähe der Mittelachse ist, die sogenannte saubere Seite, auf der die hydraulische Einheit abgelegt werden kann. Daher sollte diese/r Seite/Bereich frei sein von sensiblen Sensorelementen.
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Um eine Rückantwort der Position des Verstellelements zu erhalten, wird oftmals ein Rückkopplungsstift auf dem Verstellelement vorgesehen, der die momentane Position des Verstellelements anzeigt. Bevorzugt steht der Rückkopplungsstift in den Steuerblock der hydraulischen Einheit vor, um die Schrägscheibenposition zur Steuereinheit zurückzumelden. Jedoch kann die absolute Position des Rückkopplungsstifts bzw. des Verstellelements nicht direkt für die Steue- rung/das Anpassen der Verstellung durch die Steuereinheit ermittelt werden. Normalerweise wird der Rückkopplungsstift jedoch dafür verwendet, den Steuerkolben in seine Ausgangsposition zurückzubringen oder zurückzuführen, beispielsweise den Steuerkolben einer elektronischen Steuereinheit (EDC) in seine Neutralstellung. Somit gibt es keine Kontrolle des Wertes des Stellwinkels, der beispielsweise durch einen Bediener oder durch die Steuereinheit einer Arbeitsmaschine gewählt wurde. Im Allgemeinen wird der Hebel verwendet, um ein Gegensignal zu dem Betätigungsmittel der Steuereinheit zu liefern, um anzuzeigen, dass die Verstellung gemäß einer bestimmten Verstellkraft erreicht ist. Dabei erfolgt keine Kontrolle oder Messung des Verstellwinkels.
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Die mechanische Konfiguration des Schrägscheiben-Winkelsensors gemäß der Erfindung überführt die bogenförmige Bewegung des Verbindungshebels der Schrägscheibe in eine Drehung des Magnethalters um seine Sensorachse. Diese Drehung wird durch den Magnetsensor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das durch die Steuereinheit, welche im Steuerblock der hydraulischen Einheit angeordnet ist, verwendet werden kann, um den Winkel der Schrägscheibe zu bestimmen. Nichtlinearitäten zwischen dem Schwenkwinkel der Schrägscheibe und der induzierten Drehung des Magnethalters, die durch die Veränderung des Abstandes zwischen dem Rückkopplungsstift und dem Magnethalter verursacht werden – da der Rückkopplungsstift sich auf einer Kreisbahn bewegt – können durch einen Schlitz, ein Langloch oder eine Längsöffnung im Verbindungselement kompensiert werden. Diese Nichtlinearitäten sind von lediglich geometrischem Ursprung und sind abhängig von den Abmaßen und Abständen zwischen der Schwenkachse der Schrägscheibe und dem Bewegungsmittelpunkt des Rückkopplungsstifts und der Achse des Magnethalters.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verbindungselement des Schrägscheiben-Winkelsensors einen länglichen Öffnungsabschnitt auf, der den Rückkopplungsstift umgibt und eine Längsöffnung zwischen zwei Schenkeln des Verbindungselements bildet. Dieser Abschnitt des Verbindungselements ist bevorzugt in anliegendem Gleitkontakt mit dem Rückkopplungsstift, beispielsweise aufgrund einer zusammendrückenden Federkraft, welche versucht, die Schenkel oder die Seitenwände der Längsöffnung nach innen gegen den Rückkopplungsstift zu biegen. In einer Ausführungsform kann der Langloch- oder Längsöffnungsbereich als ein offener oder geschlossener U-förmiger Öffnungsbereich ausgestaltet sein, an welchem sich beispielsweise zwei angrenzende Schenkel anschließen. Dabei sind die Enden der Schenkel beispielsweise in einem Schlitz des Magnethalters aufgenommen. Das Verbindungselement ist in einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schrägscheiben-Winkelsensors bevorzugt symmetrisch konfiguriert, welche den Rückkopplungsstift auf zwei gegenüberliegenden Seiten berührt, um eine selbstzentrierende Kraft der Längsöffnung auf den Rückkopplungsstift zu bewirken. Mit Selbstzentrierung der Längsöffnung wird ausgedrückt, dass die beiden lateralen Bereiche des Verbindungselements, die die Längsöffnung bilden, jeweils eine Kraft auf den Rückkoppelpin ausüben, so dass die seitlichen Teile der Längsöffnung immer in festem Gleitkontakt mit den Seitenflächen des Rückkoppelpins stehen. Die internen Verbindungselementkräfte zentrieren die Längsöffnung auf dem Rückkoppelpin. Dies stellt eine identische Antwort des Schrägscheiben-Winkelsensors in beide Bewegungsrichtungen des Rückkopplungsstifts bereit, beispielsweise weg von einer zentralen Position oder jeder anderen Position. Jedoch, sind die Enden des Verbindungselementes oder die Enden einer Verbindungsfeder in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel um die Seitenwände des Schlitzes im Magnethalter an dem Ende gebogen, welches von dem Rückkopplungsstift abgewandt ist. Die Enden der Schenkel sind in einer Ausführungsform um einen Winkel von 90° oder auch größer als 90° gebogen, um einen Kontakt mit dem Gehäuse oder den Wänden eines Steuerungsblocks zu vermeiden. Dies vermeidet Fehler, die durch Reibung eingebracht werden und reduziert mögliche Hystereseeffekte, die dadurch verursacht werden.
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Die Länge des U-förmigen Bereiches des Verbindungselementes, der die Längslochöffnung definiert, in welche das Rückkoppelelement hineinragt, muss größer sein als der angrenzende Querschnittsbereich des Rückkopplungsstifts. Diese Öffnung muss ausreichend sein, um die Abstandsveränderung zwischen dem Rückkopplungsstift und dem Magnethalter aufzunehmen, da der Rückkopplungsstift sich auf einer Kreisbahn bewegt, welche Schrägscheiben-Drehachse zentriert ist.
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Bevorzugt ist das Ende des Verbindungselements, welches vom Magnethalter auf die andere Seite des U-förmigen Bereichs hervorragt, um einen Winkel von zumindest 90° gebogen. Dies gewährleistet eine Befestigung der Verbindungsfeder am Magnethalter in Längsrichtung der Verbindungsfeder. Eine Befestigung der Verbindungsfeder in axialer Richtung des Magnethalters kann beispielsweise durch Ausbilden einer Nut in der Innenwand des Gehäuses des Steuerblocks bereitgestellt werden, in welche das Ende des Verbindungselementes eingeführt ist und welches Gehäuse den erfindungsgemäßen Winkelsensor aufnimmt. In dieser Konfiguration kann sich das Ende des Verbindungselements in einem Gleitkontakt mit der Innenwand des Steuerblocks befinden. Um die Reibung zu minimieren, ist es bevorzugt, das Ende des Verbindungselementes um einen Winkel größer als 90° zu biegen, so dass die Enden die Seitenwand des Steuerblocks nur in einem kleinen Bereich berühren.
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Es ist jedoch ersichtlich, dass ein Kontakt der Enden des Verbindungselements mit der inneren Wand des Steuerblocks oder einer anderen Struktur für die Durchführung der Erfindung nicht notwendig ist. Dies liegt daran, dass die Länge des U-förmigen Längsöffnungsbereiches des Verbindungselementes lang genug ausgebildet werden kann, um eine Längsbewegung des Verbindungselementes aufnehmen zu können. Die Betätigung/Bewegung des Verbindungselementes ist auch darauf gerichtet, die Schenkel gegen die Seitenwände des Schlitzes im Magnethalter zu drücken und einen Reibschluss bereitzustellen. Auf jeden Fall kann der Kontakt des Endes des Verbindungselementes mit der inneren Wand des Steuerblockes ziemlich lose sein, da nur der Abstand zwischen der Drehachse des Magnethalters und dem Mittelpunkt des Rückkopplungsstifts für die Bestimmung des Schwenkwinkels relevant ist.
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In einer bevorzugten Ausführung kann das Verbindungselement eine Verbindungsfeder der Torsions-Bauart sein, mit einem rechteckigen, runden oder ovalen Querschnitt. Sie kann durch einen Stab oder Draht oder Federstahl gebildet werden, welcher in eine allgemeine Haarklammerform gebogen ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Feder zum Beispiel eine Blattfeder, die in eine Haarklammerform gebogen ist. In einer weiteren Ausführung ist vorstellbar, dass das Verbindungselement zwischen dem Rückkopplungsstift und dem Magnethalter einen steifen Arm aufweist, der mit dem Magnethalter verbunden ist und einen flexiblen federartigen Längslochbereich aufweist, der in einer vorgespannten Art und Weise an den Rückkopplungsstift angrenzt. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Verbindungselement einen relativ steifen Körper auf, der den Längsöffnungsbereich bildet. Hier können die inneren Seitenwände des Längsöffnungsbereiches beispielsweise eine kleinere benachbarte Breite als der Durchmesser des Rückkopplungsstifts aufweisen, jedoch können diese mit einem elastischen Material bedeckt sein, welches zum Kompensieren von Produktionstoleranzen und Verschleiß zusammengedrückt wird.
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Um die Produktionstoleranzen des Rückkopplungsstifts und des Verbindungselementes selbst zu reduzieren, ist es bevorzugt, dass der Teil des Verbindungselementes, welcher den Verbindungshebel umgibt, so ausgestaltet ist, dass die Breite des Längsöffnungsbereiches – wenn kein Rückkopplungsstift darin angeordnet ist – kleiner ist als der Querschnitt des Rückkopplungsstifts, der durch das Verbindungselement gehalten wird. Dabei ist der Längsöffnungsbereich des Verbindungselementes, welcher den Rückkopplungsstift hält, bevorzugt flexibel oder elastisch ausgestaltet, damit der Rückkopplungsstift in diesem Bereich in einer vorgespannten Art und Weise ohne Spiel in jeder Position der Schrägscheibe oder in jeder Richtung der Bewegung der selbigen gehalten wird. Dabei können die Produktionstoleranzen als auch der Verschleiß, der während der Betriebslebensdauer der hydraulischen Einheit auftritt, kompensiert werden.
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Die Erfindung stellt einen Schrägscheiben- oder Schrägachsen-Winkelsensor bereit, der einfach und robust in seinem Aufbau ist, und der in einer Seitenwand eines Steuerungsblocks oder in einem Bereich einer hydraulischen Einheit in geeigneter Weise in der Nähe des Rückkopplungsstifts, der mit der schwenkbaren Schrägscheibe oder einem Halter der selbigen verbunden ist, installiert werden kann. Ein Nachrüsten in existierende Steuerblocks hydraulischer Einheiten ist ohne große Bearbeitungsvorgänge möglich, vorausgesetzt, dass eine geeignete Seitenwand des Steuerblockes oder anderer Teile eine ausreichende Dicke aufweist. Der Sensor ist selbstzentrierend, hysteresefrei und einfach einbaubar. Der Schrägscheiben-Winkelsensor kompensiert ebenfalls selbsttätig Herstellungstoleranzen und Verschleiß von Komponenten, die damit in Kontakt sind.
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Beispielhafte Ausführungen der Erfindung, die den Umfang der erfinderischen Idee nicht einschränken sind in den 1 bis 5 gezeigt und werden im Folgenden beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer hydraulischen Einheit mit einem Schrägscheiben-Winkelsensor gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung;
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2 stellt ein Detail der schematischen Schnittdarstellung von 1 dar;
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3 stellt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils der Hydraulikeinheit, die in 1 gezeigt ist, gemäß der Linie A-A dar, die in 2 angegeben ist;
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4 zeigt die Schnittdarstellung gemäß 3 mit einer beispielhaft verwendeten Verbindungsfeder in unverformtem Zustand;
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5 zeigt die Schnittdarstellung der 4 in einem nicht neutralen Betriebszustand der Hydraulikeinheit sowie die beispielhaft verwendete Verbindungsfeder in einem verformten Zustand.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer variabel verstellbaren Hydraulikeinheit
1, die einen Schrägscheiben-Winkelsensor
10 gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung aufweist. Die Hydraulikeinheit weist ein Gehäuse
2 auf, die eine Schrägscheibe
3 aufnimmt, welche auf einem Wiegenlager
4 gelagert ist und um eine Schrägscheibenachse
5 drehbar ist; was durch die Strichpunktlinie angedeutet ist. Die Drehung der Schrägscheibe
3 wird normalerweise mittels eines Servosystems
40, welches elektromagnetische, mechanische oder hydraulische Aktoren verwendet, gesteuert. Mit der Schrägscheibe
3 ist ein Rückkoppelstift
12 verbunden, welcher in den Steuerblock
14 der hydraulischen Einheit
1 hineinragt und so ausgerichtet ist, dass seine Längsachse
26 (siehe
2) parallel zu der Drehachse
5 der Schrägscheibe
3 ist. Der im Allgemeinen stabförmige Rückkopplungsstift
12 ist fest mit der Schrägscheibe
3 verbunden und nimmt an jeder Drehung der Schrägscheibe
3 teil, wobei er die Winkelposition der Schrägscheibe
3 in Bezug auf die Achse der Antriebswelle
8 zurückführt. Der Rückkopplungsstift
12 wirkt mit dem Rückführhebel
17 zusammen, der mit dem Steuerkolben der Steuereinheit
30 der Hydraulikeinheit
1 verbunden ist. Eine solche Steuereinheit und ihre Funktionsweise ist beispielsweise in
DE 10 2004 033 314 B3 beschrieben und soll daher hier im Detail nicht beschrieben werden.
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Das Gehäuse 2 der hydraulischen Einheit 1 enthält weiterhin einen Zylinderblock 6 mit mehreren Arbeitskolben 7. Der Zylinderblock 6 ist mit einer Antriebswelle 8 verbunden und ist um eine Achse der Antriebswelle 8 drehbar. Die Antriebswelle 8 erstreckt sich durch eine vergrößerte Öffnung 9 in der Schrägscheibe 3, wodurch eine Verschwenkung der Schrägscheibe 3 relativ zur Antriebswelle 8 möglich ist. Die Enden der Kolben 7, welche aus dem Zylinderblock 6 hervorstehen, stehen in einem Gleitkontakt mit der Schrägscheibe 3. Durch Verschwenken der Schrägscheibe 3 mittels des Servosystems 4, welches durch die Steuereinheit 30 ausgelöst wird, wird der Hub der Kolben 7 verändert, d. h. die Verdrängung der hydraulischen Einheit wird geändert und damit die Position des Rückkoppelstifts 12 im Steuerblock 14. Diese Merkmale und die allgemeine Betriebsweise einer variabel verstellbaren Hydraulikeinheit 1 sind bestens bekannt, so dass eine weitere detaillierte Beschreibung hiervon an dieser Stelle ebenfalls unterbleiben kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die in 1 gezeigt ist, weist die hydraulische Einheit 1 einen Schrägscheiben-Winkelsensor 10 auf, der in einem Steuerblock 14 aufgenommen ist, der an dem Gehäuse der hydraulischen Einheit 1 befestigt ist. Der Winkelsensor 10 weist einen im Allgemeinen stabförmigen Magnethalter 13 auf, der drehbar um seine Längsachse 18 in einer Wand des Steuerblocks 14 aufgenommen ist. Diese Längsachse 18 ist parallel zur Längsachse 26 des Rückkoppelstifts 12, welcher selbst parallel zur Drehachse 5 der Schrägscheibe 3 ist. Ein magnetischer Drehsensor 15 ist am Steuerblock 14 direkt benachbart zum Magneten 16 vorgesehen. Hierbei wird jede Drehung des Magneten 16 durch den Sensor 15 erfasst und in ein elektrisches Signal gewandelt, das für das Steuersystem (nicht gezeigt) verwendbar ist, das mit der hydraulischen Einheit 1 zum Steuern des Betriebs der selbigen, verwendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Rückkopplungsstift 12 und dem Magnethalter 13 eine Verbindung mittels eines mechanischen Verbindungselementes 11 vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement 11 eine Verbindungsfeder, die in einer allgemeinen Haarklammerkontur gebogen ist, was unten in weiteren Details beschrieben wird.
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In den folgenden Figuren werden alle Bezugszeichen, welche gleiche konstruktive Merkmale bezeichnen, beibehalten. Genauso werden Verbindungselement 11 und Verbindungsfeder 11 als synonyme Therme verwendet.
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2 zeigt ein Detail der schematischen Querschnittsdarstellung der hydraulischen Einheit 1 gemäß 1. Gezeigt ist ein Steuerblock 14 mit dem oberen Bereich des Rückkopplungsstifts 12, welcher in den Steuerblock 14 ragt. Die Verbindungsfeder 11 erstreckt sich vom Rückkoppelstift 12 in den Wandbereich des Steuerblocks 14 und ist mit dem Magnethalter 13 verbunden, der drehbar in einem Wandbereich des Steuerblocks 14 befestigt ist. Der Schenkel 21 der Verbindungsfeder 11 ist beispielsweise in einem Schlitz des Magnethalters 13 gehalten und stellt eine mechanische Verbindung zwischen dem Magnethalter 13 und dem Rückkoppelstift 12 bereit, so dass eine kreisbogenförmige Bewegung des Rückkoppelstifts 12 eine Drehung des Magnethalters 13 bewirkt. Auf der oberen Fläche des Magnethalters 13 ist ein Magnet 16 befestigt und dreht sich mit dem Magnethalter 13, wenn die Verbindungsfeder 11 eine Drehung des Magnethalters 13 einleitet. Auf der Außenseite des Steuerblocks 14 ist ein magnetischer Drehsensor 15 gegenüber dem Magnet 16 angeordnet. Der Sensor 15 und der Magnet 16 sind beabstandet, beispielsweise durch eine nicht-magnetische Membran, die den Magneten 16 schützt und bevorzugt das Innere der hydraulischen Einheit 1 abdichtet, wobei Leakage von Hydraulikflüssigkeit und Eintritt von Schmutz vermieden wird.
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3 stellt einen schematischen Querschnitt eines Teils der hydraulischen Einheit, die in 1 gezeigt ist gemäß der Linie A-A dar, die in 2 angedeutet ist. Die hydraulische Einheit 1, die in 3 gezeigt ist, befindet sich in neutralem Betriebszustand, in welchem der Schwenkwinkel der Schrägscheibe bezüglich der Drehachse der Antriebswelle 8 Null ist (siehe 1).
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Wie man aus 3 erkennt, hat die Verbindungsfeder 11 einen geschlossenen U-förmigen Bereich 20 bzw. einen länglichen Öffnungsbereich 20, der eine Längsöffnung definiert, welcher einen axialen Querschnitt des Rückkoppelstifts 12 umgibt (siehe ebenfalls 2). Die beiden Schenkel 21 der Verbindungsfeder 11 werden in einem Schlitz 23 in der Basis des Magnethalters 13 gehalten. Die Enden 22 der Schenkel 21 der Verbindungsfeder 11, die über den Magnethalter 13 hervorstehen, sind in der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, um einen Winkel von ungefähr 90° gebogen und in einem Gleitkontakt mit der inneren Wand 24 der Nut 25 im Steuerblock 14. Diese Konfiguration der Verbindungsfeder 11 unterstützt die Zentrierung des Verbindungselements 11 auf dem Rückführstift 12. Jedoch hat dies den Nachteil einer unerwünschten Reibung der Enden 22 der Verbindungsfeder 11 auf der inneren Wand 24 des Steuerblocks 14. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, die Enden 22 der Schenkel 21 der Verbindungsfeder 11 um einen Winkel von mehr als 90° zu biegen, wie dies beispielhaft in 4 und 5 gezeigt ist, und/oder um jeden Kontakt zwischen den Enden der Verbindungsfeder 11 und anderen Teilen der Hydraulikmaschine 1, welche nicht den Magnethalter 13 betreffen, zu eliminieren.
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4 zeigt einen Querschnitt gemäß der 3 mit einer Verbindungsfeder 11, die in einem beispielhaft bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einen nicht verformten nicht abschließend montierten Zustand. In dieser Figur ist nur ein Schenkel 21 der Verbindungsfeder 11 in den Schlitz 23 in der Basis des Magnethalters 23 eingeführt. Gezeigt ist die allgemeine Haarklammerkontur der Verbindungsfeder 11 mit ihrem geschlossenen U-Formbereich 20, Schenkel 21 und Enden 22. Die Enden 22 sind um einen Winkel größer als 90° gebogen und dienen zur Fixierung der Verbindungsfeder 11 im Schlitz 23 des Magnethalters 13. In dieser Ausführungsform sind die Enden 22 der Verbindungsfeder 11 nicht mit der inneren Wand 24 des Steuerblocks 14 in Kontakt und bewegen sich frei in der Nut 25, die in der inneren Wand 24 des Steuerblocks 14 vorgesehen ist, welche ebenfalls die Bohrung für den Magnethalter 13 aufweist.
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Die Verbindungsfeder 11 ist bevorzugt aus einem elastischen Metall, wie beispielsweise einem Federstahl, hergestellt und kann einen rechteckigen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Auch kann man sich ein Verbindungselement 11 aus Plastikmaterial, z. B. in einer verstärkten Version vorstellen. In dem endgültig montierten Zustand, der in den 2, 3 und 5 gezeigt ist, ist der U-förmige Bereich 20 der Verbindungsfeder 11 in einem anliegenden Kontakt mit dem Rückkoppelstift 12. Die längliche Öffnung, die durch den U-förmigen Bereich 20 im Verbindungselement 11 bereitgestellt wird, erlaubt eine Relativbewegung, d. h. eine Abstandsänderung des Rückkoppelstifts 12 bezüglich der Achse des Magnethalters 13. Das erlaubt die Aufnahme der Bewegung des Rückkoppelstifts 12 auf einem Kreisbogen, der auf der Schwenkachse 5 der Schrägscheibe 3 zentriert ist und in 5 durch einen Doppelpfeil 29 angedeutet ist, der die Bewegungsbahn des Rückkoppelstifts 12 andeutet. Beide Seiten des U-förmigen Bereichs 20 der Verbindungsfeder 11 drücken gegen die Seiten des Rückkoppelstifts 12, wenn beide Enden 22 der Verbindungsfeder 11 in dem Schlitz 23 des Magnethalters 13 eingesetzt sind. Dies gewährleistet einen positiven Kontakt zwischen dem Rückkoppelpin 12 und der Verbindungsfeder 11 zu jeder Zeit und ermöglicht die Kompensierung von sämtlichen Produktionsungenauigkeiten und Verschleiß des Rückkoppelpins 12 oder der Verbindungsfeder 11 selbst, erlaubt jedoch eine relativ freie Bewegung des Rückkoppelpins 12 in Richtung der Längsöffnung 20, die durch den U-förmigen Bereich der Verbindungsfeder 11 bereitgestellt wird. Reibung wird im Betriebszustand durch die (unvermeidbare) Präsenz von Hydraulikflüssigkeits-Leakage im Gehäuse 2 der hydraulischen Einheit 1 reduziert, welches als Gleitmittel dient.
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Im Betrieb des Schrägscheiben-Winkelsensors 10 der Erfindung wird jede Bewegung der Schrägscheibe 3 vom Rückkoppelstift 12 geteilt, da letzterer fest mit dieser verbunden ist. Folglich bewegt sich der Rückkoppelstift 12 zusammen mit der Schrägscheibe 3 auf einem Kreisbogen, der auf der Schwenkachse 5 der Schrägscheibe 3 zentriert ist. Diese Bewegung bewirkt eine Rotation der Verbindungsfeder 11, was auf den Magnethalter 13 übertragen wird. Dabei definiert die Längsachse 18 des Magnethalters 13 die Drehachse der Verbindungsfeder 11. Der Magnet 16 bewegt/dreht zusammen mit dem Magnethalter 13 und ändert folglich die Ausrichtung des Magnets 16 bezüglich dem Erfassungselement des Magnetsensors 15, wobei er ein entsprechendes Signal im Sensor 15 induziert. Dieses Signal liefert eine Messgröße des momentanen Winkels der Schrägscheibe 3 relativ zu einer gegebenen Referenzposition. Dies ist normalerweise die Neutral, d. h. die 0°-Position, wenn beispielsweise, die Schrägscheibe senkrecht zur Achse der Antriebswelle 8 der hydraulischen Einheit 1 ist, d. h. die Arbeitskolben 7 kein Verdrängungsvolumen zeigen.
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5 stellt einen Querschnitt der 4 in einem nicht neutralen Betriebszustand der hydraulischen Einheit 1 dar und zeigt die beispielsweise Verwendung der Verbindungsfeder 11 in einem zusammengedrückten Zustand. Die Schrägscheibe 3, von der nur ein Teil in 5 sichtbar ist, ist gegenüber ihrer Neutralstellung ausgelenkt, was in 3 und 4 dargestellt ist. Der Rückkoppelstift 12 ist der Auslenkung gefolgt und hat sich längs eines Kreisbogens bewegt, was durch den Doppelpfeil 29 angedeutet ist. Dies bewirkt eine Drehung der Verbindungsfeder 11, welche auf den Magnethalter 13 eingeleitet wird. Aus 5 ist ersichtlich, dass der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Rückkoppelstifts 12 und der Drehachse 18 des Magnethalters 13 sich gemäß Verschwenkung der Schrägscheibe 3 verändert, da sich der Koppelstift 12 auf einem konvexen Bogen relativ zu der fixen Drehachse 18 des Magnethalters 13 bewegt. Jedoch ist die nicht lineare Antwort des Magnet-Drehwinkels gegenüber dem Schwenkwinkel der Schrägscheibe 3, der durch diesen Effekt bewirkt wird, rein geometrischer Art, was durch die gegebenen Dimensionen und Abstände zwischen den einzelnen Komponenten des Sensorsystems kompensiert werden kann.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung ein einfaches und robustes Sensorsystem für die Bestimmung eines Schwenkwinkels einer Schrägscheibe in einer variabel verstellbaren Hydraulikeinheit bereit. Ein solches Sensorsystem kann auch in bereits existierende hydraulische Einheiten installiert werden, wobei nur relativ kleine Änderungen und Bearbeitungen notwendig sind. Weiter kann ein solch erfindungsgemäßer Winkelsensor auch in hydraulische Einheiten der Schrägachsen-Bauart installiert werden. Hierbei ist der Rückkoppelstift auf dem Verstellelement, welcher die Verstellung des Zylinderblocks führt, angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulische Einheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Schrägscheibe
- 4
- Wiegenlager
- 5
- Schrägscheibeschwenkachse
- 6
- Zylinderblock
- 7
- Arbeitskolben
- 8
- Antriebswelle
- 9
- Vergrößerte Öffnung
- 10
- Winkelsensor
- 11
- Verbindungselement/Feder
- 12
- Rückkopplungsstift
- 13
- Magnethalter
- 14
- Gehäuse Steuereinheit
- 15
- Sensor
- 16
- Magnet
- 17
- Steuerhebel
- 18
- Sensorachse
- 19
- Durchmesser Rückkopplungsstift
- 20
- Langlochabschnitt
- 21
- Schenkel Verbindungsfeder
- 22
- Ende Verbindungsfeder
- 23
- Schlitz
- 24
- Innenwand
- 25
- Nut
- 26
- Längsachse Rückkopplungsstift
- 28
- Nicht-magnetische Membran
- 29
- Bewegungsbahn Rückkopplungsstift
- 30
- Steuereinheit
- 40
- Servosystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0115065 A1 [0002]
- DE 102013220298 A1 [0003]
- DE 10119239 C1 [0004]
- DE 102004033314 B3 [0024]
