DE102018213585A1

DE102018213585A1 - Servoloser Motor

Info

Publication number: DE102018213585A1
Application number: DE102018213585.1A
Authority: DE
Inventors: Stephen Frantz; Jeffrey Hansell; Steven Leege
Original assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US11592000B2; CN110778562B; US20200040867A1; US20230136445A1; CN110778562A

Abstract

Hydraulische Kolbeneinheit mit einem Triebwerk zum Antreiben oder Angetriebenwerden durch eine Antriebswelle, und mit einem verschwenkbaren Verstellelement zum Einstellen des Verdrängungsvolumens des Triebwerks zwischen einer minimalen und einer maximalen Verdrängung, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ventilsegment zwischen der nierenförmigen Einlassöffnung und der nierenförmigen Auslassöffnung an den entsprechenden Totpunktpositionen der reziprok bewegbaren Arbeitskolben eine erste und eine zweite Steueröffnung angeordnet sind, die in Fluidverbindung mit Zylinderbohrungen im Zylinderblock zum Steuern der Position des Verdrängungselements angeordnet sind. Die hydraulische Kolbeneinheit weist weiter ein Steuerventil mit einem verschiebbaren Steuerventilschieber auf, der fluidisch über eine Hochdrucköffnung mit der Hochdruckseite der hydraulischen Kolbeneinheit verbunden ist. Der Steuerventilschieber ist in der Lage, Hydraulikfluid von der Hochdruckseite zu einer der ersten oder zweiten Steueröffnung zu leiten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydraulische Kolbeneinheiten mit einem Verstellelement zum Einstellen des Verdrängungsvolumens der hydraulischen Kolbeneinheit. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf hydraulische Axialkolbeneinheiten der Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauart. Jedoch ist die Erfindung auch auf hydraulische Radialkolbeneinheiten oder Flügelpumpen und Motoren anwendbar. Im Sinne der Erfindung umfasst der Term hydraulische Kolbeneinheiten hydraulische Kolbenpumpen genauso wie hydraulische Kolbenmotoren. Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf hydraulische Axialkolbeneinheiten mit zwei Positionen, bei denen das Verstellelement zwischen zwei Endpositionen zum Einstellen des Verdrängungsvolumens der hydraulischen Axialkolbeneinheit positioniert werden kann, d. h. auf ein Maximum oder Minimum. Auch wenn die Erfindung am Beispiel von Axialkolbeneinheiten beschrieben wird, speziell mit Axialkolbeneinheiten der Schrägscheibenbauart, sind die vorgeführten Beispiele durch einen einschlägigen Fachmann auf alle oben genannten Bauarten von hydraulischen Kolbeneinheiten übertragbar.
Im Stand der Technik ist das Verdrängungsvolumen von hydraulischen Axialkolbeneinheiten normalerweise mit Hilfe von Servoeinheiten einstellbar, die einen Servozylinder und einen beweglichen Servokolben aufweisen, dessen Position im Servozylinder das Verdrängungsvolumen des Triebwerks innerhalb der hydraulischen Kolbeneinheit bestimmt. Speziell in hydraulischen Kolbeneinheiten mit zwei Positionen ist eine solche Servoeinheit aus einer separaten Zusammenbaugruppe aufgebaut, die Kosten verursacht und Bauraum beansprucht. Darüber hinaus ist eine solche Servoeinheit Verschleiß und anderen möglichen Fehlern unterworfen, die möglicherweise zu einem Ausfall der kompletten hydraulischen Kolbeneinheit führen. Darüber hinaus zeigt jede Zylinder-Kolbeneinheit eine gewisse Leckage. So auch eine solche Servoeinheit.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Einstell-und Steuervorrichtungen für das Verdrängungsvolumen von hydraulischen Kolbeneinheiten zu vereinfachen, um die Nachteile des Standes der Technik zu beheben. Dabei sollen die erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheiten weniger Teile zum Ausführen der Steuerung des Verdrängungsvolumens aufweisen. Die hydraulische Kolbeneinheit soll einfacher und kostengünstiger in ihrer Herstellung sein, insbesondere einfacher im Zusammenbau derselbigen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine hydraulische Kolbeneinheit gelöst, die gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Triebwerk zum Antreiben einer Antriebswelle aufweist oder durch diese angetrieben wird. Die hydraulische Kolbeneinheit weist weiter ein Verstellelement auf, dass bezüglich einer Drehachse der Antriebswelle zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition verschwenkbar ist. Gemäß dem Schwenkwinkel der Verstelleinheit wird das Verdrängungsvolumen des Triebwerks zwischen einem maximalen und einem minimalen Verdrängungsvolumen eingestellt. Innerhalb des Zylinderblocks sind Arbeitskolben aufgenommen und reziprok beweglich in Zylinderbohrungen zum Fördern von Hydraulikfluid von einem nierenförmigen Einlass zu einem nierenförmigen Auslass eines Ventilsegments. Im Sinne der Erfindung weist das Triebwerk zumindest einen Zylinderblock mit darin reziprok beweglichen Arbeitskolben als auch die Antriebs- oder Abtriebswelle sowie am unteren Ende des Zylinderblocks ein Ventilsegment auf mit den zuvor genannten nierenförmigen Einlässen und Auslässen. Im Fall einer hydraulischen Kolbeneinheit der Schrägscheibenbauart bildet die Schrägscheibe ebenfalls Teil des Triebwerks, da die Kolbenköpfe herkömmlicherweise auf der Schrägscheibe anhand von Gleitschuhen befestigt sind. Diese Gleitschuhe sind so ausgebildet, um auf der Schrägscheibenoberfläche, die dem Zylinderblock zugewandt ist, zu gleiten. Des Weiteren sind im Falle solcher hydraulischen Kolbeneinheiten die Schrägscheibe und das Ventilsegment an gegenüberliegenden Seiten des Zylinderblocks angeordnet. Ein Analoges gilt für hydraulische Kolbeneinheiten der Schrägachsenbauart; In diesem Fall sind die Kolbenköpfe an der Antriebswelle in Kugelgelenken direkt fixiert, damit der Zylinderblock bezüglich der Drehachse der Antriebswelle verschwenkt werden kann.
Die erfindungsgemäße hydraulische Kolbeneinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ventilsegment zwischen dem Einlas und dem Auslass an den entsprechenden Totpunkten der reziprok bewegbaren Arbeitskolben eine erste Steueröffnung und eine zweite Steueröffnung angeordnet sind, die mit den Zylinderbohrungen in Flüssigkeitsverbindung stehen. Damit bestimmt die hydraulische Flüssigkeitsdruckdifferenz zwischen diesen beiden Steueröffnungen und der hydraulische Flüssigkeitsdruck in den Zylinderbohrungen den Schwenkwinkel des Verstellelements und letztendlich das Verdrängungsvolumen des Triebwerks bzw. der hydraulischen Kolbeneinheit.
Die erfindungsgemäße Hydraulikkolbeneinheit ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kolbeneinheit weiter ein Steuerventil mit einem verschiebbaren Steuerventilschieber aufweist. Das Steuerventil ist über den Hochdruckeinlass mit der Hochdruckseite der hydraulischen Kolbeneinheit verbunden und ist in der Lage Hydraulikflüssigkeit von der Hochdrucksseite an eine der ersten und zweiten Steueröffnung in dem Ventilsegment zu leiten. Damit wird einer Steueröffnung an einem Totpunkt der Arbeitskolben Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck zugeführt und an dem anderen Steueranschluss an dem anderen Totpunkt der Bewegung der Arbeitskolben liegt Niederdruck an, beispielsweise Tank oder Gehäusedruck. Gemäß der Erfindung wirkt Hochdruck auf den Arbeitskolben, der die Steueröffnung überstreicht dahingehend, dass der Arbeitskolben in einer auswärtigen Richtung der Zylinderbohrung gedrückt wird. Das zwingt das Verstellelement, das am gegenüberliegenden Ende des Zylinderblocks angeordnet ist, in eine ausgeschwenkte oder senkrechte, d. h. konzentrische Ausrichtung bezüglich der Drehachse des Zylinderblocks, wodurch das Verdrängungsvolumen definiert wird. Damit erfüllen gemäß der Erfindung die Arbeitskolben die Funktion des Bewegens des Verstellelements, was in hydraulischen Kolbeneinheiten des Standes der Technik mittels einer zusätzlichen Servoeinheit erfolgt.
Herkömmlicherweise wird im Stand der Technik von hydraulischen Kolbeneinheiten das Verstellelement zumindest in seiner ersten anfänglichen ersten Endposition gegen einen Anschlag gedrückt, bevorzugt durch eine elastische Kraft, welche bevorzugt durch eine Feder oder Ähnliches bewirkt wird. In anderen Winkelpositionen kann dies durch ein Kräftegleichgewicht zwischen den verschwenkenden Kräften - hier ausgeübt durch die Arbeitskolben, wenn sie die Steueröffnungen an den entsprechenden oberen und unteren Totpunkt passieren - und der elastischen Kraft, die in Richtung der anfänglichen ersten Position wirkt, erreicht werden. Speziell bei hydraulischen Kolbeneinheiten mit zwei Stellungen wird eine zweite Endstellung des Verstellelements durch einen zweiten Anschlag bereitgestellt, gegen welchen das Verstellelement in seinem maximalen oder minimalen Ausschwenkung/Schwenkwinkel anschlagen kann. Naheliegenderweise - zumindest für einen einschlägigen Fachmann - kann das Verstellelement auch in Zwischenpositionen zwischen dem maximalen und dem minimalen Schwenkwinkel positioniert werden, beispielsweise durch elastische oder hydraulische Kräfte, die mit dem Schwenkwinkel variieren.
In einer Ausführungsform, in welcher zum Beispiel das anfänglich eingestellte Verdrängungsvolumen der hydraulischen Kolbeneinheit an seinem Minimum ist, d. h. mit dem Verstellelement in seiner neutralen oder in der Null-Position und mit dem Schwenkwinkel des Verstellelements gleich Null, kann das Verstellelement solange in dieser Position gehalten werden, solange der Steuerschieber des Steuerventils nicht aus seiner anfänglichen Stellung verschoben ist, in welcher Hydraulikfluid unter Hochdruck zur ersten Steueröffnung geleitet wird. In diesem beispielhaften Fall erhöht sich das Verdrängungsvolumen der hydraulischen Kolbeneinheit mit der Auslenkung des Steuerventilschiebers, da der Druck, der zur ersten Steueröffnung in dem Ventilsegment geleitet wird, abnimmt und der Druck, der zur zweiten Steueröffnung geleitet wird, durch Auslenken des Steuerventilschiebers zunimmt. Dies erfolgt solange Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck nur zur zweiten Steueröffnung geleitet wird. In diesem Moment, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Verstellelement an seiner maximalen Verstellung, d. h. an seinem maximalen Schwenkwinkel. Ein einschlägiger Fachmann erkennt jedoch, dass dieses Beispiel auch anders herum ausgeführt werden kann.
Ein Fachmann erkennt ebenfalls, dass in fast allen Ausführungen von hydraulischen Kolbeneinheiten, die im Stand der Technik bekannt sind und in denen Servoeinheiten zum Einstellen des Verdrängungsvolumens verwendet werden, dass die erfindungsgemäße Hydraulikkolbeneinheit ebenfalls Anwendung finden kann. Folglich sind alle diese Möglichkeiten von der Erfindungsidee ebenfalls umfasst. Jedoch, im Unterschied zu Lösungen aus dem Stand der Technik, sieht die Erfindung für hydraulische Kolbeneinheiten weniger Teile vor, da eine Servoeinheit nicht länger erforderlich ist, und stellt aus dem gleichen Grund kleinere Hydraulikkolbeneinheiten bereit, die weniger Bauraum benötigen. Dabei kann die Steuerung des Verdrängungsvolumens allein durch Steuern der Position des Steuerventilschiebers im Steuerventil erfolgen, was in einer einfachen Ausführungsform ein drei-Wege/zwei-Positionsventil sein kann.
Da die Erfindung nur die Art und Weise betrifft, wie das Verstellelement positioniert wird und in seiner entsprechenden Position steuert, kann die hydraulische Kolbeneinheit gemäß der Erfindung sowohl im Motorbetrieb als auch im Pumpenbetrieb einschließlich der verbundenen Antriebs- und Schiebemodi betrieben werden, für den Fall, dass die erfindungsgemäße Hydraulikkolbeneinheit in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf verwendet wird.
In einer einfachen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße hydraulische Kolbeneinheit von der zwei-Positionsbauart, d. h. nur minimale Verstellung oder maximale Verstellung ist auswählbar. In diesem Fall ist das Steuerventil ebenfalls nur ein zwei-Positionsventil, welches Hydraulikfluid entweder zur ersten Steueröffnung oder zur zweiten Steueröffnung leitet. In diesem Fall wechselt die hydraulische Kolbeneinheit ihr Verdrängungsvolumen von Maximum zu Minimum und umgekehrt durch Schalten des Steuerventils von einer ersten Position zu einer zweiten Position und umgekehrt. Ein Fachmann erkennt einfach, dass das Steuerventilschieber sowie die hydraulische Kolbeneinheit auch in Zwischenpositionen eingestellt werden kann und „über Null“ Verschwenkungen des Verstellelements ebenfalls möglich sind. Solch eine maximale Verstellung kann in absoluten Werten genauso groß sein wie eine minimale Verstellung, wobei sich nur das Vorzeichen ändert, d. h. die Förderrichtung oder der Antriebsmodus ändert sich beispielsweise zu einem Schiebebetrieb.
Daher kann gemäß der Erfindung das Steuerventil ein zwei-Positionsventil sein, genauso wie ein Proportionalventil. Im Fall, dass das Steuerventil ein Proportionalventil ist, ist die Verdrängung des Triebwerks ebenfalls proportional einstellbar. Hier kann die Steuerung des Steuerventils bevorzugt durch einen Aktuator erfolgen, der durch eine hydraulische, elektronische oder manuelle Steuereinheit betrieben wird. Die Steuereinheit selbst kann beispielsweise Systemparameter überwachen sowie Eingaben von einem Maschinenbediener einer hydraulischen Antriebseinheit erhalten und ein entsprechendes Signal zur Betätigungsvorrichtung senden, im Fall, dass der Schwenkwinkel des Verstellelements verändert oder beibehalten werden soll; beispielsweise wenn der Wert für einen Systemparameter überschritten oder unterschritten wird. Dabei bewegt die Betätigungsvorrichtung den Steuerventilschieber in einer elektromechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Art oder in einer Kombination dieser Möglichkeiten. Beispiele für solche elektro- mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Vorrichtungen sind einem Fachmann bekannt. An dieser Stelle sollen Federn, Elektromagneten, Zylinderkolbeneinheiten, Hebel, elektrische oder thermische Relais und Ähnliches nur exemplarisch genannt werden, da ein Fachmann sich dieser Möglichkeiten bewusst ist, um einen Steuerventilschieber in seiner Position zu halten oder diese zu verändern. Daher sind alle diese im Stand der Technik bekannten Möglichkeiten der Einwirkung auf den Steuerventilschieber in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Leiten von Hydraulikfluid unter Druck zur ersten oder zur zweiten Steueröffnung in dem Ventilsegment von der Erfindung umfasst.
Darüber hinaus können alle diese Mittel zum Verschieben des Steuerventilschiebers durch eine Steuereinheit kontrolliert werden, welche bevorzugt in der Lage, ist die zuvor genannten Aktuatoren anzuweisen auf den Kontrollventilschieber zu wirken. Dabei können die Steuermittel eine CPU, ein Mikroprozessor oder ähnliches sein, welche entsprechende Signale zu den Aktuatoren zum Ändern oder Halten der Position des verschiebbaren Steuerventilschiebers senden. Selbstredend erhält die Steuereinheit Eingabeinformationen von anderen Komponenten und/oder, zum Beispiel, vom Bediener eines hydraulisch angetriebenen Fahrzeuges und übermittelt ein entsprechendes Signal zu den Aktoren. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung überwacht die Steuereinheit Systemparameter und kommandiert die Aktuatoren den Steuerventilschieber zu halten oder zu verschieben, für den Fall, dass ein Systemparameter überschritten oder unterschritten wird.
Wie oben bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße hydraulische Kolbeneinheit in offenen hydraulischen Kreisläufen sowie in geschlossenen hydraulischen Kreisläufen verwendet werden, die zwei Förderrichtungen zeigen oder in der Lage sind, im Antriebsmodus oder im Schiebemodus betrieben zu werden. Im Fall der Implementierung der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit in solchen geschlossenen hydraulischen Kreisläufen weist die erfindungsgemäße hydraulische Kolbeneinheit bevorzugt ein Hochdruckauswahlventil auf, das fluidisch mit beiden Druckseiten der hydraulischen Kolbeneinheit verbunden ist und das in der Lage ist, Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite einer Einlassöffnung des Steuerventils zuzuführen. Solch ein Hochdruckauswahlventil ist in einer Basisausführung beispielsweise in Form eines Doppelrückschlagventils, das zwei Einlässe und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Niederdruckseite von der Rückschlagventilkugel unter Einfluss des Hochdrucks geschlossen wird. Damit ist in allen Betriebszuständen gewährleistet, dass Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck zur Hochdruckeinlassöffnung des Steuerventils geleitet wird.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerventil ebenso in der Lage, Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck oder niederem Druck zur entsprechend anderen Steueröffnungen in dem Ventilsegment zu leiten, welche nicht mit Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck belastet ist. Dabei ist das Steuerventil über eine Niederdruckeinlassöffnung mit der Niederdruckseite der hydraulischen Kolbeneinheit oder mit einer Speisedruckquelle, beispielsweise in Form einer Speisepumpe, oder mit einem anderen Systemdruck verbunden, der niedriger ist als das Hochdruckniveau. Im Fall, dass die hydraulische Kolbeneinheit in einem geschlossenen Hydraulikkreislauf verwendet wird, ist das Steuerventil fluidisch mit beiden Druckleitungen des hydraulischen Kreislaufs mittels eines Niederdruckauswahlventils verbunden, um geeignet in beiden Förderrichtungen Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck zur entsprechend anderen Steueröffnung, die nicht mit Hochdruck belastet ist, zu leiten. Dieses Niederdruckauswahlventil kann beispielsweise ausgeführt werden durch ein Schiebeventil mit einem verschieblichen Ventilschieber der auf einer Seite auf das Hochdruckniveau referenziert ist und auf der anderen Seite auf das Niederdruckniveau, welches nicht das Druckniveau sein muss, welches vom Niederdruckauswahlventil weitergeleitet wird.
Zusammenfassend kann mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit ein Steuerverfahren zum Einstellen des Verdrängungsvolumens zumindest einer Hydraulikeinheit mit zwei Positionen in einer einfacheren Art und Weise ausgeführt werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Steuerventilschieber in seiner anfänglichen Position gehalten wird, in welcher das Steuerventil Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite zu einer ersten oder zweiten Steueröffnung, die in dem Ventilsegment der hydraulischen Kolbeneinheit an der entsprechenden Totpunktposition der reziprok bewegbaren Arbeitskolben angeordnet sind, leitet, wenn das anfängliche Verdrängungsvolumen der erfinderischen Hydraulikkolbeneinheit aufrechterhalten werden soll, wobei der Steuerventilschieber mittels Aktuatoren in eine verschobene Stellung zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck zu entsprechenden anderen Steueröffnung verschoben wird, wenn das anfängliche Verdrängungsvolumen der Hydraulikeinheit mit zwei Positionen verändert werden soll. Wie oben bereits erwähnt wird in einer Basisausführungsform das erfindungsgemäße Steuerverfahren an einer hydraulischen Kolbeneinheit mit zwei Positionen ausgeführt, sie ist jedoch ebenfalls auf proportional einstellbare hydraulische Kolbeneinheit anwendbar, um das Verdrängungsvolumen des Triebwerks proportional zu verstellen.
Weiter bevorzugt ist die Steuerung des Verdrängungsvolumens des Triebwerks der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit mittels einer Steuereinheit steuerbar, die in der Lage ist, Aktuatoren zu kommandieren, die auf den Steuerventilschieber des Steuerventils wirken. Dieses Steuerventil kann von der zwei-Positionsbauart sein oder auch ein Proportionalventil.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern des Verdrängungsvolumens einer hydraulischen Kolbeneinheit kann auch die Steuerung des Leitens von Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck beinhalten, welcher zu der entsprechenden anderen Steueröffnung geleitet wird, welche nicht mit Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck beaufschlagt wird. Naheliegenderweise kann das erfindungsgemäße Steuerverfahren sowohl auf hydraulische Kolbeneinheiten in offenen Kreisläufen als auch auf hydraulische Kolbeneinheiten in geschlossenen hydraulischen Kreisläufen angewendet werden, in welchen die hydraulische Kolbeneinheit in beide Drehrichtungen betrieben werden kann, genauso wie im Antriebsmodus oder im Schiebebetrieb.
Beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit werden in weiteren Details in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, welche den Umfang der erfinderischen Idee nicht begrenzen. Alle Merkmale der beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen können in jeder gewünschten Kombination miteinander innerhalb des Umfangs der Erfindung kombiniert werden. Zu diesem Zweck zeigen:

1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Anfangsposition;
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit mit dem Steuerventilschieber in einer verschobenen Position;
3 schematisch eine dritte Ausführungsform der hydraulischen Kolbeneinheit in einer ersten Anfangsposition;
4 schematisch die Ausführungsform der 3 mit dem Steuerventilschieber in einer verschobenen Position;
5 schematisch ein Ventilsegment, die entsprechend der Erfindung ausgeführt ist.

In den 1 bis 5 ist die erfindungsgemäße Idee schematisch anhand einer vereinfachten hydraulischen Kolbeneinheit, beispielsweise eine hydraulische Axialkolbeneinheit der Schrägscheibenbauart beschrieben. Die gezeigten Ausführungsformen sind aus Vereinfachungsgründen und nur zum Darstellen der erfindungsgemäßen Idee in einer einfachen Art und Weise gezeigt und beschränken den Umfang der erfinderischen Idee nicht. Wie oben bereits erwähnt, ist die Erfindungsidee auf hydraulische Axialkolbeneinheiten der Schrägachsen- oder Taumelscheibenbauart genauso wie auf Radialkolbeneinheiten oder Flügelzelleneinheiten anwendbar.
Die hydraulische Axialkolbeneinheit, die in 1 gezeigt ist, weist einen Zylinderblock 3 auf, in dem Zylinderbohrungen 5 im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse 9 des Zylinderblocks 3 angeordnet sind. In diesen Zylinderbohrungen 5 können sich Arbeitskolben 6 reziprok bewegen und sind durch einen sich nicht drehenden Schrägscheibe als Beispiel eines Verstellelements 4 gemäß der Erfindung geführt. Einem Fachmann ist bekannt, dass in hydraulische Schrägachsen-Axialkolbeneinheiten das Verstellelement ein Joch ist, das die Drehachse des Zylinderblocks 3 bezüglich einer Rotationsachse 9 einer Antriebswelle 8 der hydraulischen Axialkolbeneinheit 1 verschwenkt.
In der Ausführungsform der 1 ist die Schrägscheibe 4 um eine Schwenkachse 29 verschwenkbar, um das Verdrängungsvolumen, das von der Vielzahl der Arbeitskolben 6 während einer Umdrehung des Zylinderblocks 3 verdrängt wird, einzustellen. Die Zylinderbohrungen 5 sind fluidisch über Zylinderöffnungen 31 mit einer ersten Steueröffnung 23 und einer zweiten Steueröffnung 24 in dem Ventilsegment 20 verbunden, die auf der unteren Seite des Zylinderblocks 3, d. h. auf der Kolbenbodenseite, angeordnet sind. Das Ventilsegment 20 ist drehfest bezüglich eines Gehäuses der hydraulischen Kolbeneinheit und dreht sich nicht mit dem Zylinderblock 3. Am Zylinderblock 3 ist eine Antriebswelle 8 drehfest angebunden und ist in der Lage den Zylinderblock 3 drehbar anzutreiben oder von diesem angetrieben zu werden. Abhängig davon, welche nierenförmige Öffnung in dem Ventilsegment 20 die Einlassöffnung 21 oder die Auslassöffnung 22 bildet, und in welcher Position, d. h. in welchem Schwenkwinkel die Schrägscheibe 4 ausgerichtet ist, wird das Triebwerk 2 der hydraulischen Kolbeneinheit 1, die herkömmlich zumindest die Schrägscheibe 4, die Arbeitskolben 6, den Zylinderblock 3, die Antriebswelle 8 und das Ventilsegment 20 aufweist, als Pumpe oder als Motor betrieben, und das sowohl im Antriebsmodus als auch im Schiebebetrieb. Da diese Details einem Fachmann gut bekannt sind, wird auf weitere Erläuterungen diesbezüglich verzichtet.
Rein beispielhaft ist die hydrostatische Kolbeneinheit 1 in 1 als hydraulischer Kolbenmotor im Antriebsmodus gezeigt, da eine Einlassöffnung 21 an der Hochdruckseite 14 der hydraulischen Kolbeneinheit 1 angeordnet ist. Entsprechend ist die Auslassöffnung 22 an der Niederdruckseite 15 angeordnet. Folglich tritt Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck in das Triebwerk an der Einlassöffnung 21 ein und drückt die Arbeitskolben 6 in Richtung der Schrägscheibe 4, was eine Drehbewegung des Zylinderblocks 3 bewirkt. An der Auslassöffnung 22 tritt Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck aus, herausgedrückt durch die Schrägscheibe 4 über die Arbeitskolben 6 und die Zylinderöffnung 31 unter Druck aus dem Triebwerk 2 - nicht gezeigt in 1, da die unseren Arbeitskolben 6 in ihrem unteren Totpunkt sind, bei welchen in dem vereinfachten Ausführungsbeispiel in 1 die Zylinderöffnung 31 mit der zweiten Steueröffnung 24 übereinstimmt. Die Anordnung der beiden nierenförmigen Öffnungen 21 und 22 sowie die Anordnung der erfindungsgemäßen Steueröffnungen 23 und 24 ist beispielhaft in 5 gezeigt. Ein Fachmann erkennt einfach aus 1 in Zusammenschau mit 5, dass der Zylinderblock 3 der hydraulischen Kolbeneinheit 1 in 1 eine gerade Anzahl an Zylinderbohrungen 5 aufweist, hier vier Zylinderbohrungen, was lediglich eine spezielle Ausführungsform ist, da oft eine ungerade Anzahl von Zylinderbohrungen verwendet wird, zum Beispiel, um einen weicheren Lauf der hydraulischen Kolbeneinheit zu verbessern.
In der Ausführungsform der 1 ist die Schrägscheibe in ihrer ausgelenkten/verschwenkten Position durch Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck gehalten/gedrückt, welcher vom Steuerventil 10 über die erste Steueröffnung 23 zur Zylinderöffnung 31 geleitet wird, was eine ausreichende hydraulische Kraft in der Zylinderbohrung 5 bereitstellt, um die Arbeitskolben 6 in ihren oberen Totpunkten zu halten/zu drücken und dadurch die Schrägscheibe 4 in ihrer maximalen ausgelenkten/verschwenkten Position. Dabei tritt Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck in das Steuerventil 10 über eine Hochdrucköffnung 11 ein, welche fluidisch über ein Hochdruckauswahlventil 30 mit der Hochdruckseite 14 verbunden ist. Beispielsweise ist das Hochdruckauswahlventil 30 als Doppelrückschlagventil ausgebildet und ist mit beiden Druckseiten der hydraulischen Kolbeneinheit 1 verbunden.
Im Betriebszustand des hydraulischen Kolbenmotors 1 gemäß 1 ist das Steuerventil 10 mit seinem Steuerventilschieber 16 in einer ersten (anfänglichen) Position, in welcher das Steuerventil 10 Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck zur ersten Steueröffnung 23 leitet. Der Steuerventilschieber 16 wird in seiner ersten anfänglichen Position mittels einer Steuerventilfeder 17 gehalten. Beispielsweise sind auf der gegenüberliegenden Seite des Steuerventilschiebers 16 Aktuatoren 13 angeordnet, die eine Gegenkraft gegen die elastische Kraft der Steuerventilfeder 17 erzeugen, um den Steuerventilschieber 16 in eine zweite verschobene Position zu bewegen. In dieser zweiten verschobenen Position ist der Steuerventilschieber 16 in der Lage Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck zur zweiten Steueröffnung 24 zu leiten, wodurch der Schwenkwinkel der Schrägscheibe 4 verändert wird, da Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck in die Zylinderbohrung 5 über die Zylinderöffnung 31 eintritt und den Arbeitskolben 6 in Richtung der Schrägscheibe 4 drückt. Durch diese Veränderung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe 4 wird der Hub von allen Arbeitskolben 6 verändert und dadurch das Verdrängungsvolumen der hydraulischen Kolbeneinheit 1. Auch wenn das Verdrängungsvolumen der hydraulischen Kolbeneinheit 1 verändert wird, verbleibt das Hochdruckauswahlventil 30 in derselben Stellung solange die Hochdruckseite 14 nicht mit der Niederdruckseite 15 wechselt.
Eine geschaltete Position ist in 1 mit gestrichelten Linien gezeigt, in welcher die Schrägscheibe 4 in ihrer Null-Stellung gegen einen Anschlag 33 anschlägt, d. h. der Schwenkwinkel gleich Null ist. In diesem Betriebszustand zeigt die hydraulische Kolbeneinheit 1 kein Verdrängungsvolumen, da die Schrägscheibe senkrecht ausgerichtet ist, d. h. die Schrägscheibenachse konzentrisch zur Rotationsachse 9 des Zylinderblocks 3 ist, was heißt, dass die Arbeitskolben keinen Hub ausführen, weil die Distanz zwischen der Schrägscheibe und dem Zylinderblock gesehen in Richtung der Rotationsachse 9 nicht variiert, wenn der Zylinderblock 3 rotiert. In diesem Zustand läuft die hydraulische Kolbeneinheit leer, ohne Arbeit zu verrichten.
Jedoch erkennt ein Fachmann, dass die Schrägscheibe 4 anstatt gegen den Anschlag 33 anzuschlagen, auch in negative Winkel bezüglich der Position aus 1 verschwenkt werden kann, d. h. eine Verschwenkung der Schrägscheibe gegensätzlich zur Situation, die in 1 gezeigt ist. Das könnte beispielsweise eine Einstellung sein, wenn der hydraulische Motor aus 1 im Schiebebetrieb betrieben werden soll und so als Pumpe arbeitet und beispielsweise einen Bremseffekt auf eine hydraulische Antriebseinheit ausübt. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit mit dem Steuerventilschieber 16 in einer verschobenen Position. Abweichend von der Ausführungsform der 1 ist die Hochdruckseite 14 mit der Niederdruckseite 15 vertauscht und angenommen, dass die Förderrichtung die gleiche ist als die im Ausführungsbeispiel der 1, d. h. gegen den Uhrzeigersinn, arbeitet die hydraulische Kolbeneinheit als Pumpe, wobei der Druck, der an der Steueröffnung 24 anliegt den Schrägwinkel der Schrägscheibe 4 bestimmt und damit das Verdrängungsvolumen der hydraulischen Kolbeneinheit 1, hier ein hydraulisches Axialkolbenpumpenvolumen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit, welches von den Ausführungsformen der 1 und 2 dahingehend abweicht, dass das Steuerventil 10 ein vier-Wege/zwei-Positionsventil ist, welches Hydraulikfluid unter Hochdruck zur Steueröffnung 23 und Hydraulikfluid unter Niederdruck zur entsprechend anderen Steueröffnung 24 leitet. Dies stellt einen besseren Schmiereffekt am unteren Totpunktbereich der Arbeitskolben 6 auf dem Ventilsegment 20 bereit. Um Hydraulikfluid unter Niederdruck von der Niederdruckseite zum Steuerventil 10 bereitzustellen, ist ein Niederdruckauswahlventil 35 stromaufwärts des Steuerventils 10 angeordnet. Das Niederdruckauswahlventil 35 ist mit der Hochdruckseite 14 und auch mit der Niederdruckseite 15 verbunden. Dabei ist der Ventilschieber des Niederdruckauswahlventils 35, beispielsweise ein 3-Wege/2-Positionsventil auf einer Stirnseite zur Hochdruckseite referenziert und auf der gegenüberliegenden Seite zum Niederdruck, damit es immer die Niederdruckseite ist, die mit einer Niederdrucköffnung 12 des Steuerventils 10 verbunden ist. Analog zu den Ausführungsformen der 1 und 2 gewährleistet ein Hochdruckauswahlventil 30, dass die Hochdrucköffnung 11 des Steuerventils 10 mit der Hochdruckseite 14 der hydraulischen Kolbeneinheit 1 verbunden ist.
Wie man aus 3 erkennt, kann der Schwenkwinkel der Schrägscheibe 4 zur anderen Seite wechseln, d. h. das Vorzeichen des Winkels kann von den entsprechenden Maximalwerten in jede Richtung geändert werden. Damit kann die Förderrichtung gewechselt werden, mit der die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite vertauscht wird, jedoch die Rotationsrichtung der hydraulischen Kolbeneinheit die gleiche verbleibt. In einem anderen Beispiel, wenn die Förderrichtung beibehalten wird, kann die hydraulische Kolbeneinheit vom Pumpenmodus zum Motormodus und vice versa mittels verschieben des Steuerventilschiebers 16 von einer Position zur anderen geschaltet werden, da es bevorzugt ist, beispielsweise für eine Antriebseinheit, wenn vom Arbeitsmodus zum Schiebebetrieb gewechselt wird. Dies ist beispielsweise in 4 gezeigt.
Zusätzlich ist in 4 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbeneinheit 1 gezeigt, in welcher Hydraulikfluid unter einem geringeren Druck als der Hochdruck bereitgestellt wird, beispielsweise bei einer Speisedruckquelle 40. Dies erlaubt bei Stillstand der hydraulischen Kolbeneinheit 1 einen Betriebsmodus vorzuwählen, zum Beispiel die Förderrichtung im Falle einer hydraulischen Pumpe, einfach durch Bewegen des Steuerventilschiebers 16 in eine geeignete Position. Für einen Fachmann ist es naheliegend, dass diese Speisedruckquelle mit jeder anderen Systemdruckquelle austauschbar ist, vorausgesetzt Hydraulikflüssigkeit unter einem geringeren Druck als der Druck wird auf der Hochdruckseite der hydraulischen Kolbeneinheit 1 bereitgestellt. Darüber hinaus verbessert unter Druck stehendes Hydraulikfluid, das zu einer der Steueröffnungen 23 oder 24 geleitet wird, die Schmierbedingungen im Niederdruckbereich des Ventilsegments 20. Wie in 5 gezeigt ist, sind die Steueröffnungen 23 und 24 zwischen den nierenförmigen Einlass- und Auslassöffnungen 21 und 22 an den entsprechenden Totpunktpositionen 61 und 62 der Arbeitskolben 6 angeordnet, zum Beispiel 5. Dabei ist der Abstand zwischen den Umfangsgrenzen zwischen den nierenförmigen Öffnungen 21 und 22 mit den Kanten der Steueröffnungen 23 und 24 bevorzugt weniger als der doppelte Umfangsabstand der Kanten der Zylinderöffnungen. Damit kann gewährleistet werden, - speziell mit einer ungeraden Anzahl an Zylinderbohrungen - dass immer eine Zylinderöffnung mit zumindest einer Steueröffnung überlappt, wobei eine bessere und schneller reagierende Steuerung sowie ein weicherer Lauf der hydraulischen Kolbeneinheit 1 gewährleistet wird.
Zusammenfassend wird mit dem erfindungsgemäßen Konzept eine kleinere hydraulische Kolbeneinheit mit einer zuverlässigen Verdrängungsvolumensteuerung bereitgestellt, welches die Notwendigkeit einer (externen) Servoeinheit vermeidet, welche nicht nur Kosten spart, sondern auch die hydraulische Kolbeneinheit weniger komplex und zuverlässiger macht, da sie weniger Teile aufweist. Genauso wird Leckage signifikant reduziert, da weniger Teile mit Hydraulikdruck beaufschlagt sind.
Bezugszeichenliste

1: Axialkolbeneinheit
2: Triebwerk
3: Zylinderblock
4: Verstellelement / Schrägscheibe
5: Zylinderbohrungen
6: Arbeitskolben
7: Feder
8: Antriebswelle
9: Rotationsachse
10: Steuerventil
11: Hochdrucköffnung
12: Niederdrucköffnung
13: Aktuatoren
14: Hochdruckseite
15: Niederdruckseite
16: Steuerventilschieber
17: Steuerventilfeder
20: Ventilsegment
21: Einlassöffnung
22: Auslassöffnung
23: erste Steueröffnung
24: zweite Steueröffnung
29: Schwenkachse
30: Hochdruckauswahlventil
31: Zylinderöffnung(en)
33: Anschlag
35: Niederdruckauswahlventil
40: Speisedruckquelle
41: Elektro-mechanische Mittel
42: Hydraulische Mittel
43: Pneumatische Mittel
44: Systemdruckleitung
61: Totpunktposition
62: Totpunktposition
100: Steuereinheit

Claims

Hydraulische Kolbeneinheit (1) mit einem Triebwerk (2) zum Antreiben oder Angetriebenwerden durch eine Antriebswelle (8) und mit einem Verstellelement (4), das bezüglich einer Drehachse (9) der Antriebswelle (8) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition zum Einstellen des Verbrennungsvolumens des Triebwerks (2) zwischen einer minimalen und einer maximalen Verdrängung verschwenkbar ist, wobei Arbeitskolben (6) reziprok bewegbar in Zylinderbohrungen (5) eines Zylinderblocks (2) zum Fördern von Hydraulikfluid von einer nierenförmigen Einlassöffnung (21) zu einer nierenförmigen Auslassöffnung (22) in einem Ventilsegment (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - auf dem Ventilsegment (20) zwischen der Einlassöffnung (21) und der Auslassöfnung (22) an den entsprechenden Totpunktpositionen der reziprok bewegbaren Arbeitskolben (6) eine erste Steueröffnung (23) und eine zweite Steueröffnung (24) in Fluidverbindung mit den Zylinderbohrungen (5) angeordnet sind, um die Position des Verstellelements (4) zu steuern; und dadurch, dass - die hydraulische Kolbeneinheit (1) weiter ein Steuerventil (10) mit einem verschieblichen Steuerventilschieber (16) aufweist, der über eine Hochdrucköffnung (11) fluidisch mit der Hochdruckseite (14) der hydraulischen Kolbeneinheit (1) verbunden in der Lage ist, Hydraulikfluid von der Hochdruckseite (14) zu einer der ersten oder der zweiten Steueröffnung (23, 24) zu leiten.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) nach Anspruch 1, wobei - der Steuerventilschieber (15) durch eine Steuerventilfeder (17) in einer Anfangsposition gehalten wird, in der Hydraulikfluid unter Hochdruck zu der ersten Steueröffnung (23) geleitet werden kann, um das Verstellelement (4) in die erste Endposition zu verbringen, wobei - der Steuerventilschieber (16) in eine verschobene Position mittels eines Aktuators (13) verschiebbar ist, in welcher Hydraulikfluid von einer Hochdrucköffnung (11) zur zweiten Steueröffnung (24) geleitet werden kann, um die Position des Verstellelements (4) einzustellen.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuerventil (2) ein Zwei-Positionsventil oder ein Proportionalventil ist.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die hydraulische Kolbeneinheit (1) eine hydraulische Kolbeneinheit der Zwei-Positionsbauart ist.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Aktuator-Vorrichtung (13) zum Verschieben des Steuerventilschiebers (16) elektro-mechanische Mittel (41), hydraulische Mittel (42), pneumatische Mittel (43) oder eine Kombination davon sind.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aktuatormittel (13) durch eine Steuereinheit (100) steuerbar sind.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß Anspruch 5, wobei die hydraulischen Mittel (42) oder die pneumatischen Mittel (43) in der Lage sind, den Steuerventilschieber (16) zu verschieben, wenn ein vorgegebener Systemparameter überschritten oder unterschritten ist.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verstellelement (4) in einer Anfangsposition mittels einer elastischen Kraft, insbesondere mittels einer Feder (7) gehalten wird.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter aufweisend ein Hochdruckauswahlventil (30), das fluidisch zu beiden Seiten der hydraulischen Kolbeneinheit (1) verbunden ist, um Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite (14) zur Hochdrucköffnung (11) des Steuerventils (10) zu leiten.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter aufweisend ein Niederdruckauswahlventil (35), das mit beiden Druckseiten der hydraulischen Kolbeneinheit (1) verbunden ist, um Hydraulikflüssigkeit von der Niederdruckseite (15) zu einer Niederdrucköffnung (12) des Steuerventils (10) zu leiten, wobei der Steuerventilschieber (16) in der Lage ist, Hydraulikfluid unter Niederdruck zur entsprechenden anderen Steueröffnung der ersten oder zweiten Steueröffnung (23, 24) zu leiten, welche nicht mit Hochdruck belastet ist.
Hydraulische Kolbeneinheit (1) gemäß Anspruch 10, wobei das Steuerventil (10) weiter eine Niederdrucköffnung (12) aufweist, die fluidisch mit einer Speisedruckquelle (40) der hydraulischen Kolbeneinheit (1) oder zu einer anderen Systemdruckleitung verbunden ist, wobei der Steuerventilschieber (16) in der Lage ist, Hydraulikfluid unter Speisedruck oder Systemdruck zur entsprechenden anderen Steueröffnung der ersten und zweiten Steueröffnungen (23, 24) zu leiten, welche nicht mit Hochdruck belastet ist.
Verfahren zum Steuern des Verdrängungsvolumens eines Triebwerks (2) einer hydraulischen Kolbeneinheit (1) mit einem Steuerventil (10) mit einem verschieblichen Steuerventilschieber (16), der fluidisch über eine Hochdrucköffnung (11) mit der Hochdruckseite (14) der hydraulischen Kolbeneinheit (1) verbunden ist, und mit einem Ventilsegment (20) mit einer ersten Steueröffnung (23) und einer zweiten Steueröffnung (24), die auf dem Ventilsegment (20) an den entsprechenden Totpunktpositionen der Arbeitskolben (6) angeordnet sind, welche reziprok beweglich in Zylinderbohrungen (5) eines Zylinderblocks (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der Steuerventilschieber (16) in seiner Anfangsposition gehalten wird, um Hydraulikfluid von der Hochdruckseite (14) über das Steuerventil (10) zu einer der ersten oder zweiten Steueröffnungen (23, 24) zu leiten, wenn das anfängliche Verdrängungsvolumen des Triebwerks (2) aufrechterhalten werden soll, und - der Steuerventilschieber (16) mittels Aktuatormittel (13) verschoben wird, um Hydraulikfluid unter Hochdruck über die Hochdrucköffnung (11) zur entsprechenden Steueröffnung der ersten oder zweiten Steueröffnung (23, 24) zu leiten, wenn das Verdrängungsvolumen des Triebwerks (2) geändert werden soll.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das weiter Systemparameter mittels einer Steuereinheit (100) kontrolliert und den Steuerventilschieber (16) mittels Kommandieren der Aktuatormittel (13) über die Steuereinheit (100) verschiebt, im Fall, dass ein Systemparameter überschritten oder unterschritten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Steuerventil (10) weiter eine Niederdrucköffnung (12) aufweist und der Steuerventilschieber (16) Hydraulikfluid von der Niederdruckseite (15) zur entsprechend anderen der ersten oder zweiten Steueröffnung (23, 24) leitet, welche nicht mit Hochdruck belastet ist.