DE69909594T2

DE69909594T2 - Von hydromotoren getriebene vorrichtung und hydraulischer umwandler für diese vorrichtung

Info

Publication number: DE69909594T2
Application number: DE69909594T
Authority: DE
Inventors: Augustinus Peter ACHTEN
Original assignee: Innas Free Piston BV
Current assignee: Innas Free Piston BV
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: JP2002502937A; EP1055066B1; ATE245254T1; DE69909594D1; WO1999040318A1; EP1055066A1; US7028470B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Vorrichtung ist aus WO 9731185 bekannt. Aus dem genannten Dokument ist bekannt, die Einstellungen des hydraulischen Umwandlers und des Hydromotors durch das Erkennen von Laständerungen und die entsprechende Einstellung des hydraulischen Umwandlers zu steuern. Die Laständerungen in der bekannten Vorrichtung werden durch Messen der Drücke in den Verbindungsleitungen erkannt.
Ein Problem bei dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass sich verändernde Lasten nicht zu einer sofortigen Änderung der Drücke in den Verbindungsleitungen führen. Folglich sind die Informationen, die für eine einwandfreie Steuerung der Vorrichtung benötigt werden, nicht hinreichend.
Gemäß der Erfindung wird dieses Problem in einer Vorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale aufweist. Nur durch das direkte oder indirekte Messen der Strömung in den Verbindungsleitungen können die Einstellungen des hydraulischen Umwandlers hinreichend schnell geändert werden, um eine kontrollierte Bewegung des Hydromotors zu erhalten, welche dann mehr oder weniger unabhängig von der Last des Hydromotors ist.
Gemäß einer Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 2 dargestellt ausgeführt. Das Messen der Strömung mit einem Strömungssensor erbringt ein direktes Signal für die Steuerung der Vorrichtung.
Gemäß einer Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 3 dargestellt ausgeführt. Die Rate der Drehbewegung ist direkt mit der Strömung in den Verbindungsleitungen verknüpft, und ein Sensor für das Messen der Rate der Drehbewegung ist allgemein bekannt und einfach zu installieren. Mittels eines solchen Sensors wird die Strömung in den Verbindungsleitungen auf einfache Weise gemessen.
Gemäß einer Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 4 dargestellt ausgeführt. Die Rate der Bewegung des Hydromotors ist direkt mit der Strömung in den Verbindungsleitungen dergestalt verknüpft, dass das Messen dieser Bewegungsrate ein direktes Signal dieser Strömung erbringt.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 5 dargestellt ausgeführt. In dieser Ausführungsform werden einfache Mittel für die Begrenzung der Fluidströmung durch den hydraulischen Umwandler verwendet.
Gemäß einer anderen Version ist die Vorrichtung wie in Anspruch 6 dargestellt ausgeführt. In dieser Ausführungsform ist die Fluidströmung im hydraulischen Umwandler begrenzt, während gleichzeitig Energieverluste, die durch die Drosselung der Fluidströmungen entstehen, vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 7 dargestellt ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform wird erreicht, dass stets genügend Energie für alle Abnehmer, die an die Hochdruckleitung angeschlossen sind, zur Verfügung steht, so dass diese Abnehmer unterbrechungsfrei arbeiten können.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 8 dargestellt ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform wird auf einfache Weise erreicht, dass mit den Hydromotoren niedrige Drehzahlen selbst bei hohen Lasten erreicht werden können.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 9 dargestellt ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform wird erreicht, dass das System auch für die Energierückgewinnung unter sich rasch verändernden Bedingungen verwendet werden kann, wie beispielsweise während der Verlangsamung sich bewegender Massen, wenn ein beweglicher Antrieb verwendet wird, und wobei das Fahrzeug durch den Fahrzeuglenker in der üblichen Weise bedient werden kann. Die rasche Änderung des Druckverhältnisses stellt auch eine Verbesserung für die dynamische Steuerung und Arretierung von mit einem Motor verkoppelten Massen dar.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 10 dargestellt ausgeführt. Bei dieser Aus führungsform wird erreicht, dass der Hydromotor nicht unter Last gesetzt wird, wenn die Steuerung ausfällt.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 11 dargestellt ausgeführt. Wenn der hydraulische Umwandler so eingestellt ist, dass in dem linearen Zylinder ein schnelles Zurückziehen erfolgt, so ist es mit dieser Ausführungsform möglich, das Entstehen eines Unterdrucks im Zylinder, was zu einem Hohlsog führen könnte, zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 12 dargestellt ausgeführt. Diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit, dass einige der Motoren ein höheres Drehmoment abgeben können, weil sie mit einem höheren Druck angetrieben werden als dem Systemdruck, der in der Hochdruckleitung herrscht. Auf diese Weise kann die Hochdruckleitung für einen geringeren Druck ausgelegt werden, was wirtschaftlicher ist.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 13 dargestellt ausgeführt. Diese Ausführungsform beseitigt den Nachteil, dass, wenn eine Fluidkammer durch die Stirnplatte abgedichtet wird, während es infolge der Drehbewegung des Rotors eine erhebliche Schwankung im Volumen der Kammer gibt und sich die Menge des vorhandenen Fluids nicht ändert, der Druck in der Fluidkammer zu stark absinken kann, was zu einem Hohlsog führen kann. Zu diesem Zweck weist das Volumen der Fluidkammern, das mittels der Stirnplatte abgedichtet werden soll, einen Maximalwert auf, der weniger als das Fünffache des Mindestwertes des abzu dichtenden Volumens beträgt. Durch Ausnutzung der Elastizität des Öls und durch Sicherstellen, dass ein relativ großes Mindestvolumen übrig bleibt, wird Hohlsogbildung vermieden, so dass die mechanische Grenznutzungsdauer des Transformators nicht verkürzt wird und es kaum unerwünschte Geräuschbildung gibt.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 14 dargestellt ausgeführt. Diese Ausführungsform unterstützt zusätzlich die Vermeidung von Hohlsogbildung.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 15 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform werden Schwankungen des Drehmoments, die durch den Öldruck in den Fluidkammern verursacht werden und die sich auf den Rotor auswirken, auf einem Minimum gehalten, wodurch die Axialkraft, die durch den Rotor auf die Stirnplatte ausgeübt wird, ebenfalls auf einem Minimum gehalten wird. Dies erleichtert die Einstellung des hydraulischen Umwandlers.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 16 dargestellt ausgeführt. Diese Ausführungsform begrenzt zusätzlich die Schwankungen des Drehmoments, die sich auf den Rotor auswirken.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 17 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform kann das Druckverhältnis zwischen den Leitungsverbindungen über einen großen Arbeitsbereich hinweg durch die Drehung der Stirnplatte vollständig umgekehrt werden, was die Anwendungsbandbreite der Vorrichtung erweitert.
Gemäß einer weiteren Verbesserung der Vorrichtung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 18 dargestellt ausgeführt. Diese Ausführungsform stellt eine einfache Möglichkeit dar, Kanäle bereitzustellen, deren Öffnungen hinreichend groß sind, dass in den verschiedenen zweckmäßigen Drehstellungen der Stirnplatte nur geringe Strömungsverluste auftreten.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 19 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform wird erreicht, dass Druckschwankungen im dritten Stirnplattenkanal sich nicht auf die Axialkräfte um die Stirnplatte herum auswirken, wodurch es einfach ist, diese in ein Gleichgewicht zu bringen.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 20 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform wird es möglich, die Stirnplatte kompakt zu gestalten.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 21 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform stehen die beiden Gehäuseöffnungen, die sich am ersten Radius befinden, in allen Positionen der Stirnplatte in strömungsmäßiger Verbindung mit großen Kanälen im Gehäuse, wodurch der Strömungswiderstand minimiert wird.
Gemäß einer weiteren Verbesserung ist die Vorrichtung wie in Anspruch 22 dargestellt ausgeführt. Durch diese Ausführungsform wird das Wechselventil ganz einfach bedient, wenn die Stirnplatte neu eingestellt wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Veranschaulichung einer Ausführungsform erläutert. Es zeigen:
1 zeigt einen Querschnitt durch einen hydraulischen Umwandler, der auf einer Axialkolbenpumpe basiert.
2 zeigt eine Ansicht entlang II-II der Stirnplatte des hydraulischen Umwandlers von 1.
3 zeigt einen Querschnitt entlang III-III der Stirnplatte des hydraulischen Umwandlers von 2.
4 zeigt die Stirnplatte von 2 mit Blick von der gegenüberliegenden Seite.
5 zeigt eine Ansicht entlang II-II von 1 des Gehäuses des hydraulischen Umwandlers ohne Stirnplatte.
6 zeigt schematisch die Kopplung zwischen den Stirnplattenkanälen, den Öffnungen im Gehäuse und einem Motor, der an den Drucktransformator angekoppelt ist.
7 zeigt eine schematische Ansicht wie in 6, wobei sich die Stirnplatte relativ zum Gehäuse in einer anderen Position befindet und der Motor einer umgekehrten Last ausgesetzt ist.
8 zeigt eine schematische Ansicht der unterschiedlichen Positionen der Stirnplatte in den verschiedenen Betriebszuständen und Lastsituationen des Motors, der an den hydraulischen Umwandler angekoppelt ist.
9 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines hydraulischen Umwandlers, der an einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder angekoppelt ist.
10 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines hydraulischen Umwandlers mit einem einfachwirkenden Hydraulikzylinder.
11 zeigt ein Kurvenschaubild des Arbeitsbereichs eines hydraulischen Umwandlers.
12 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines hydraulischen Umwandlers mit einem Steuerungssystem und einem Hydromotor.
13 zeigt eine vereinfachte Version der Ausführungsform von 12.
Ähnliche Teile in den einzelnen Figuren sind so weit wie möglich mit identischen Bezugszahlen gekennzeichnet.
1 zeigt einen hydraulischen Umwandler. Zu sehen ist ein Knickgehäuse 3 gemäß dem Knickgehäuse einer Axialkolbenpumpe, von welcher der hydraulische Umwandler mehr oder weniger abgeleitet ist. Auf einer Seite in dem Knickgehäuse 3 ist eine Schwenkachse drehbar mittels zweier Schwenkachsenlager 15 befestigt. Die Schwenkachse 1 kann frei um eine Drehachse 16 rotieren. Das Knickgehäuse 3 umfasst des Weiteren einen drehbaren Rotor 2, der an einer Achse 13 befestigt ist. Der Rotor 2 dreht sich um die Achse 13, die an der Schwenkachse 1 befestigt ist. Eine Drehachse 11 des Rotors 2 bildet einen Winkel mit der Drehachse 16 der Schwenkachse 1, wodurch die Drehachsen 11 und 16 einander überschneiden.
Die Schwenkachse 1 ist überdies mit Kolben 14 versehen, die sich in den zylindrischen Kammern 12 des Rotors 2 in Längsrichtung bewegen können. Die Kolben 14 verkoppeln die Drehbewegung der Schwenkachse 1 mit der Drehbewegung des Rotors 2. Die gemeinsame Drehbewegung des Rotors 2 und der Schwenkachse 1 sowie der Umstand, dass die Drehachse 11 des Rotors 2 und die Drehachse 16 der Schwenkachse 1 einen Winkel bilden, bewirken eine Hin- und Herbewegung der Kolben 14 in den zylindrischen Kammern 12, wodurch das Volumen der zylindrischen Kammern 12 zwischen einem Minimum und einem Maximum variiert. Über einen Rotorkanal a steht jede der zylindrischen Kammern 12 in Strömungsverbindung mit den Stirnplattenöffnungen 30, die sich in einer Abdichtfläche V1 befinden.
Der Rotor 2 ist in abdichtender Weise mittels der Abdichtfläche V1 an einer Stirnplatte 10 befestigt, und die Stirnplatte 10 ist in abdichtender Weise mittels einer Abdichtfläche V2 an einem Gehäuse 5 befestigt. Das Gehäuse 5 und das Knickgehäuse 3 sind mittels (nicht dargestellter) Schrauben aneinander befestigt. Die Stirnplatte 10 ist in dem Gehäuse 5 drehbar mittels Stirnplattenlagern 9 gelagert, wodurch sie sich um eine Drehachse 11 drehen kann, welche mit der Drehachse 11 des Rotors 2 übereinstimmt. Die Lager 9 sind so konstruiert, dass die Stirnplatte 10 sich in Richtung der Drehachse 11 bewegen kann, dass in den zylindrischen Kammern 12 der Rotor 2 unter der Einwirkung des Öldrucks unter anderem gegen die Stirnplatte 10 und die Stirnplatte gegen das Gehäuse 5 drückt. Öllecks entlang der Flächen V1 und V2 werden dadurch so weit wie möglich vermieden.
Mittels einer Stellwelle 8 kann die Stirnplatte 10 gedreht und somit eingestellt werden. Die Drehbewegung der Stirnplatte 10 ist durch einen Stift 4 auf etwa 180° begrenzt. Im Gehäuse 5 sind radiale Gehäusebohrungen 6 sowie eine mittige Gehäusebohrung 7 vorhanden.
Die Lager 9 der Stirnplatte 10 sind notwendig, um zu verhindern, dass die Stirnplatte unter der Einwirkung der asymmetrischen Drücke in den Abdichtflächen V1 und V2 kippt. Diese asymmetrischen Drücke entstehen infolge der wechselnden Öldrücke in den verschiedenen Öffnungen in der Stirnplatte 10 und hängen unter anderem von der Drehstellung der Stirnplatte 10 ab. Sollte die Stirnplatte 10 in der Lage sein zu kippen, könnten sich entlang der Flächen V1 und V2 unzulässige Leckstellen bilden. Die Lager 9 sind darum so konstruiert, dass die Stirnplatte 10 sich in axialer Richtung bewegen, aber nicht kippen kann. Um das Lecken in den Flächen V1 und V2, das von einem Kippen der Stirnplatte 10 herrührt, wozu es durch Spiel in den Lagern 9 kommen könnte, weiter zu minimieren, sind die Flächen V1 und V2 sphärisch, wobei sich die Mitte der Kugelgestalt auf der Drehachse befindet und die Oberfläche der Kugelgestalt nach außen gerichtet ist. Dies vermindert das Ausmaß, in dem ein Kippen mit Leckbildung im Zusammenhang steht.
Der Rotor 2 kann sich um die Drehachse 11 drehen und dadurch das Volumen der zylindrischen Kammern 12 variieren. Über die Stirnplattenöffnungen 30 und die Kanäle b in der Stirnplatte 10 stehen die zylindrischen Kammern 12 in strömungsmäßiger Verbindung mit einer oder zwei der radialen Gehäusebohrungen 6 der mittigen Gehäusebohrung 7. Die Stirnplatte 10 wird im Gehäuse 5 in einer mehr oder weniger konstanten Drehstellung gehalten, sofern die Stirnplatte nicht mittels der Stellwelle 8 eingestellt wird. Infolge der Auswirkung der unterschiedlichen Drücke, die in der mittigen Gehäusebohrung 7 und den radialen Gehäusebohrungen 6 herrschen, variiert der Druck in den einzelnen zylindrischen Kammern 12, wodurch an den einzelnen Kammern unterschiedliche Kräfte auf den Rotor 2 einwirken, was den Rotor 2 in Drehbewegung versetzt. Dies bewirkt das Fließen von Öl durch die Gehäusebohrungen 6 und 7, wobei das Druckverhältnis in den verschiedenen Gehäusebohrungen unter anderem von der Position der Stirnplatte 10 abhängt. Die Abdichtflächen V1 und V2 sind gemäß dem Stand der Technik so sorgfältig bearbeitet, dass es kaum Leckbildung zwischen dem Rotor 2 und der Stirnplatte 10 bzw. zwischen der Stirnplatte 10 und dem Gehäuse 5 gibt. Die zylindrischen Kammern 12 weisen ein variierendes Volumen auf, das während der Drehbewegung des Rotors 2 periodisch durch die Stirnplatte 10 an der Stirnplattenöffnung 30 abgedichtet wird. Während es abgedichtet wird, variiert das Volumen in den zylindrischen Kammern 12 weiter, was zu einem Ansteigen oder Abfallen des Drucks infolge der Drehbewegung des Rotors 2 führt. Wenn die zylindrische Kammer 12, die durch die Fläche V1 abgedichtet wird, ein totes Volumen von wenigstens 25 bis 50% des Hubvolumens des Kolbens 14 aufweist, gibt es keine Hohlsogbildung, was zeigt, dass der Druckabfall innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt. Das heißt, dass das maximale Volumen, das durch die Stirnplatte abgedichtet werden kann, kleiner als das Drei- bis Fünffache des Minimums des abdichtbaren Volumens ist. Infolge des Umstandes, dass das sich ausdehnende Öl ein zu starkes Absinken des Drucks in der zylindrischen Kammer 12 verhindert, wird Hohlsogbildung vermieden. Das verringert seinerseits den Verschleiß und die Geräuschbildung.
Infolge der Abdichtung der zylindrischen Kammern 12 und des Umstandes, dass es eine beschränkte Anzahl zylindrischer Kammern gibt, beispielsweise in diesem Fall 7 Kammern, ist die Drehbewegung des Rotors 2, die durch die Druckschwankungen in den zylindrischen Kammern 12 und die resultierende Schwankung des Drehmoments auf den Rotor 2 bewirkt wird, nicht vollständig regelmäßig und unterliegen die Drehbewegung des Rotors 2 und der Schwenkachse 1 einer Verlangsamung und Beschleunigung. Dadurch übt der hydraulische Umwandler ein variierendes Drehmoment auf seine Grundplatte aus, was infolge von Resonanz zu unerwünschter Geräuschbildung führen kann. Eine unerwünschte Geräuschbildung kann vermieden werden, indem der hydraulische Umwandler auf Gummiblöcken gelagert wird, wodurch er auch kleine Bewegungen vollführen kann, und indem die Leitungen flexibel ausgelegt werden.
2 zeigt die Stirnplatte 10 in der Abdichtfläche V1 mit einer Hochdruckrotoröffnung 17, einer ersten Rotoröffnung 18 und einer zweiten Rotoröffnung 18'. Diese Öffnungen stehen mit den Stirnplattenöffnungen 30 in Wirkverbindung. Zwischen den Rotoröffnungen 17, 18 und 18' sind breite Wände 23 vorhanden, wobei die breite Wand 23 so breit ist, dass eine zylindrische Kammer 12 über die Stirnplattenöffnung 30 immer nur mit einer einzigen der Rotoröffnungen 17, 18 und 18' in Kontakt steht. Wie oben besprochen, wurde gezeigt, dass, wenn der Rotor 2 sich dreht, das Drehmoment, das durch die Schwenkachse ausgeübt wird, infolge der unterschiedlichen Fluiddrücke in den zylindrischen Kammern 12 schwankt. Wenn es drei Rotoröffnungen 17, 18 und 18' gibt, so kann diese unerwünschte Schwankung dadurch begrenzt werden, dass man so viele zylindrische Kammern 12 wie möglich bereitstellt. Indem man zylindrische Kammern 12 in Vielfachen von Drei bereitstellt, ist die Axialkraft, die der Rotor 2 auf die Stirnplatte 10 ausübt, minimal, was zu weniger Verschleiß führt. Vorzugsweise gibt es neun oder zwölf zylindrische Kammern, weil dies die Anzahl ist, mit der die oben genannten Vorteile in bester Weise realisiert werden.
Über eine Krümmung von beispielsweise etwa 180° hinweg ist der Umfang der Stirnplatte 10 mit einer Zahnung 22 versehen, und die übrigen 180° sind mit einer Nut 19 versehen, die mit dem oben genannten Stift 4 in wechselseitiger Wirkverbindung steht. Die Stellwelle 8 greift in die Zahnung 22 ein. Die Rotoröffnungen 17, 18 und 18' können gleich lang sein, sie können aber auch in Abhängigkeit vom Anwendungszweck unterschiedlich lang sein. Weil die Nut 19 und die Zahnung 22 über den halben Umfang hinweg vorhanden sind, ist die Drehbewegung der Stirnplatte 10 im Gehäuse 5 auf etwa 180° beschränkt, wobei sich die Hochdruckrotoröffnung 17 nach beiden Seiten über 90° relativ zu der Position drehen kann, in der das Volumen der zylindrischen Kammer 12 am kleinsten ist (diese Position heißt Oberer Totpunkt, OT). Durch Verkürzen der Nut 19 oder durch Verwendung von zwei Stiften 4 kann der maximale Drehwinkel nach beiden Seiten auf weniger als 90° verringert werden. Dies beschränkt die maximal erreichbaren Druckverhältnisse, so dass beispielsweise der Druck in der ersten oder zweiten Rotoröffnung auf das Doppelte des Drucks in der Hochdruckrotoröffnung beschränkt ist, oder wodurch der Maximaldruck in der einen Lastrichtung anders eingestellt werden kann als in der anderen Richtung.
Gemäß einer Ausführungsform der Stirnplatte 10 sind die Rotoröffnungen 17, 18 und 18' und die Wände 23 so bemessen, dass die Axialkräfte vom Rotor 2 auf die Stirnplatte 10 in allen Drehstellungen so gering wie möglich sind. Die Rotoröffnungen 18 und 18' sind gleich groß und im Verhältnis zueinander symmetrisch, und die Mitten der Wände 23 stehen zueinander in einem Winkel, bei dem es sich um ein Mehr faches des Schrägungswinkels zwischen den Rotoröffnungen 30 handelt und der gleichmäßig um den Umfang herum verteilt ist. Die Breite einer Wand 23 in Drehrichtung ist mit einer Toleranz von einem Grad in etwa die gleiche wie die Breite einer Stirnplattenöffnung 30 in Drehrichtung. In dieser Ausführungsform kann der Rotor 2 auch eine Drehstellung einnehmen, in der die Wände 23 durch den Abschnitt des Rotors 2 bedeckt sind, der sich zwischen den Stirnplattenöffnungen 30 befindet. Das Ölleck zwischen den Rotoröffnungen 17, 18 und 18' ist dann minimal. In der Situation, wo die Stirnplatte 10 so eingestellt ist, dass, vorbehaltlich der Last von den Abnehmern, die an den hydraulischen Umwandler angeschlossen sind, kein Öl fließt, bewirken die Drücke in den zylindrischen Kammern 12 und die Kräfte auf den Rotor 2, dass die Stirnplatte zu einem Stillstand kommt, weil dies die stabilste Position ist.
Die Stirnplatte 10 wird mittels der Achse 8 gedreht. Um eine Ineingriffnahme ohne Spiel zwischen dem Zahnrad auf der Achse 8 und der Zahnung 22 zu bewerkstelligen, können verschiedene bekannte Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise indem man den Mittenabstand zwischen der Achse 8 und der Drehachse der Stirnplatte 10 einstellbar gestaltet. Zu diesem Zweck wird die Buchse, in der eine Achse 8 sich dreht, in bekannter Weise als Exzenterbuchse ausgeführt. Die Achse 8 kann mittels eines manuell bedienten Hebels angetrieben werden. Wie unten gezeigt werden wird, kann die Achse 8 auch mittels eines Servomotors, der ein Steuerungssystem umfasst, angetrieben werden. Alternativ kann die manuelle Bedienung auch durch Sperren begrenzt werden, die mittels eines Steuerungssystems einstellbar sind.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Stirnplatte 10. Es ist zu erkennen, wie die Hochdruckrotoröffnung 17 über einen Kanal b in strömungsmäßiger Verbindung mit der mittig angeordneten Hochdruckgehäuseöffnung 21 steht. Über einen Kanal b steht die erste Rotoröffnung 18 in strömungsmäßiger Verbindung mit einer ersten Gehäuseöffnung 20, die sich an einem Radius an der dem Gehäuse 5 zugewandten Seite der Stirnplatte 10 befindet.
4 zeigt die Ansicht der Fläche V2 der Stirnplatte 10. Es sind die Position der ersten Gehäuseöffnung 20, einer zweiten Gehäuseöffnung 20' und der Hochdruckgehäuseöffnung 21 sichtbar. Die Länge der ersten Gehäuseöffnung 20 und der zweiten Gehäuseöffnung 20' beträgt etwas weniger als 90°.
In 5 ist das Gehäuse 5 gezeigt, und es sind die Verbindungen der radialen Gehäusebohrungen 6 und der mittigen Gehäusebohrungen 7, die in der Abdichtfläche V2 mit einer Stirnplattenöffnung 24 enden, dargestellt. In der Mitte der Fläche V2 ist eine mittige Gehäusebohrung 7 vorhanden, und um sie herum befinden sich die vier gleichmäßig verteilten Stirnplattenöffnungen 24. Zwischen den Stirnplattenöffnungen 24 befindet sich eine schmale Wand 25. Die mittige Gehäusebohrung 7 grenzt an die Hochdruckgehäuseöffnung 21, und die Stirnplattenöffnungen 24 grenzen an die erste Gehäuseöffnung 20 und zweite Gehäuseöffnung 20'. Die Abmessungen der ersten Gehäuseöffnung 20 und der zweiten Gehäuseöffnung 20' sind dergestalt, dass sie un gefähr eine Stirnplattenöffnung 24 bedecken. Es ist wesentlich, dass in den verschiedenen Positionen der Stirnplatte 10 stets zwei Stirnplattenöffnungen 24 so zusammenwirken, dass das Öl mit geringem Strömungsverlust von der ersten Gehäuseöffnung 20 oder der zweiten Gehäuseöffnung 20' fließen kann.
6 und 7 zeigen schematisch die strömungsmäßigen Verbindungen eines hydraulischen Umwandlers HT, die Art und Weise, in der sie über einen Zuleitungsdruck P mit Energie versorgt werden, und den Ölauslass mit einem Tankdruck T, und wie ein sich drehender Motor 27 im Fall einer lastveränderlichen Vorrichtung angeschlossen ist. 6 zeigt schematisch die Stirnplatte 10, die in einem Stellwinkel δ positioniert ist. Die Stirnplattenöffnungen 24 sind schematisch als die gekrümmten Linien 24a, 24b, 24c und 24d dargestellt und entsprechen den Stirnplattenöffnungen 24, die in 5 gezeigt sind. Die erste Gehäuseöffnung 20 wirkt mit zwei Stirnplattenöffnungen 24a und 24b zusammen. Infolge des Stellwinkels δ hat die erste Gehäuseöffnung 20 einen Arbeitsdruck B, die zweite Gehäuseöffnung 20' hat den Tankdruck T, wenn die Hochdruckzylinderöffnung einen Zuleitungsdruck P hat. Diese Drücke stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, das unter anderem vom Stellwinkel δ abhängt. Damit der Arbeitsdruck B einen Wert annehmen kann, der den des Zuleitungsdrucks P um etwa 50% übersteigen kann, muss der Stellwinkel δ auf ein Maximum von 90° eingestellt werden können. Die erste Gehäuseöffnung 20 steht dann in offener strömungsmäßiger Verbindung mit den beiden Stirnplattenöffnungen 24a und 24b. Über ein Wechselventil 26 stehen die Kanalöffnungen 24a und 24b miteinander in strömungsmäßiger Verbindung und sind an einen ersten Anschluss 29 des sich drehenden Motors 27 angekoppelt. In ähnlicher Weise sind die Stirnplattenöffnungen 24c und 24d, die mit der zweiten Gehäuseöffnung 20' in strömungsmäßiger Verbindung stehen, mit einem zweiten Anschluss 28 des sich drehenden Motors 27 strömungsmäßig verbunden. Beim Vergleich von 6 und 7, wobei der Stellwinkel δ in 7 einen entgegengesetzten Wert angenommen hat, mit dem Ergebnis, dass die Drücke auf den sich drehenden Motor 27 ebenfalls einen entgegengesetzten Wert angenommen haben, wird deutlich, dass die erste Gehäuseöffnung 20 ebenfalls mit der Stirnplattenöffnung 24c in strömungsmäßiger Verbindung stehen muss, wobei zu diesem Zweck das Wechselventil gedreht wird.
Die Einstellung des Wechselventils 26 hängt vollständig von der Position der Stirnplatte 10 ab, weshalb es daran angekoppelt sein kein. Dies kann über eine mechanische Kupplung erfolgen. Die Stirnplatte 10 kann beispielsweise eine Nockenscheibe sein, die das Wechselventil 26 betätigt. Es kommt aber auch eine elektromechanische oder elektrohydraulische Kupplung in Frage. Die Stirnplatte 10 kann ebenfalls mit (nicht gezeigten) Öffnungen versehen sein, die mit Öffnungen im Gehäuse so zusammenwirken, dass sie den Effekt des Ventils 26 haben. Anstatt das Wechselventil 26 mit der Stirnplatte 10 zu verkoppeln, ist es auch möglich, das Wechselventil 26 in Bezug zum Druck an den Motoranschlüssen 28 und 29 einzustellen, da auch sie vom Stellwinkel δ abhängig sind.
Neben der obigen Ausführungsform mit einer mittigen Gehäusebohrung 7, die mit der Hochdruckgehäuseöffnung 21 zusammenwirkt, gibt es noch weitere mögliche Ausführungsformen. Eine erste alternative Ausführungsform ist zum Beispiel, dass anstelle der mittigen Gehäusebohrung 7 in der Fläche V2 ein ringförmiger Kanal in Gehäuse 5 oder in der Stirnplatte 10 bereitgestellt wird, der mit einer Bohrung in der Stirnplatte 10 bzw. im Gehäuse 5 zusammenwirkt. Dieser ringförmige Kanal wird dann an einem anderen Radius als dem der Stirnplattenöffnungen 24 bereitgestellt. Eine zweite alternative Ausführungsform ist zum Beispiel, dass der oben erwähnte ringförmige Kanal am Umfang der Stirnplatte 10 entweder in der Stirnplatte 10 oder im Gehäuse 5 bereitgestellt wird. Der ringförmige Kanal wirkt dann ebenfalls mit einer Bohrung im Gehäuse 5 bzw. in der Stirnplatte 10 zusammen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass, wenn der Druck in dem ringförmigen Kanal variiert, die Kräfte, die in Richtung der Drehachse 11 auf die Stirnplatte 10 ausgeübt werden, nicht variieren. Infolge dessen lassen sich die auf die Stirnplatte 10 wirkenden Kräfte, die von den Drücken in den verschiedenen Öffnungen herrühren, in den unterschiedlichen Arbeitssituationen leichter ausgleichen. Anstelle der oben beschrieben Ausführungsform, die einen ringförmigen Kanal und eine Bohrung umfasst, wobei sich der ringförmige Kanal über den maximalen Drehwinkel der Stirnplatte 10 erstreckt, ist es auch möglich, zwei ringförmige Kanäle bereitzustellen, und zwar einen im Gehäuse und einen in der Stirnplatte 10, wobei die ringförmigen Kanäle von einer solchen Länge sind, dass die Stirnplatte 10 die gewünschte Drehbewegung vollführen kann.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Stirnplatte 10 in Lagern 9 gelagert. Die Stirnplatte kann auch mit unterschiedlichen Lagern ausgestattet werden, wobei stets darauf geachtet wird, dass Drehbewegung und Axialverschiebung möglich sind und dass es zu keiner Kippbewegung kommen kann. Es ist beispielsweise möglich, statische Öldrucklager zu verwenden oder eine Achse oder Röhre an der Drehachse 11 bereitzustellen, die in das Gehäuse 5 hineinragt und mit Lagern im Gehäuse gelagert ist und die gleichzeitig für das Drehen der Stirnplatte 10 eingesetzt werden kann. Die röhrenförmige Achse kann dann mit der mittigen Gehäusebohrung 7 verkoppelt werden.
Die oben beschriebene Bauweise mit einem Wechselventil 26 ist insbesondere notwendig, wenn sich die Stirnplatte 10 über einen großen Winkel hinweg drehen muss, wie es in der dargestellten Ausführungsform der Fall ist. Wenn der Drehwinkel kleiner sein darf, beispielsweise weil Kammern verwendet werden, deren Volumen zweimal oder öfter je Rotorumdrehung einen Minimal- und einen Maximalwert annimmt, und wenn die Ausführungsform der Stirnplatte angepasst wird, so ist die Drehbewegung, welche die Stirnplatte vollführen muss, um zu funktionieren, kleiner, und es ist nicht erforderlich, ein Wechselventil zu verwenden, um zu gewährleisten, dass die Durchflussöffnungen groß genug sind. Es kann jedoch Situationen geben, in denen ihr Einsatz trotzdem zu besseren Ergebnissen führt.
Im Inneren des Knickgehäuses 3 fließt Lecköl entlang der Trennflächen V1 und V2. Da das Knickgehäuse 3 keine nach außen führende sich drehende Achse mit einer druckempfindlichen Dichtung aufweist, weil die Schwenkachse 1 nicht angetrieben ist, ist der Aufbau eines Überdrucks im Knickgehäuse 3 zulässig. Da der Überdruck gleich dem Tankdruck T oder größer als der Tankdruck T sein kann, steht das Innere des Gehäuses 3 (in einer nicht gezeigten Weise) in strömungsmäßiger Verbindung mit der Stirnplattenöffnung 24c und folglich mit dem Tankanschluss T.
8 zeigt schematisch die Anwendung des hydraulischen Umwandlers, wenn dieser an einen sich drehenden Motor 27 angeschlossen ist, wie in 6 und 7 zu sehen. Die Beschreibung trifft in ähnlicher Weise zu, wenn anstelle eines sich drehenden Motors 27 ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder als Linearmotor an den hydraulischen Umwandler angekoppelt wird. Anstelle von Drehbewegung und Drehmoment kommen dann Verschiebung und Last zum Einsatz.
In dem Schaubild von 8 ist die Drehzahl des Motors 27 in vier Quadranten auf der horizontalen Achse im Verhältnis zur Drehmomentbeaufschlagung aufgetragen. In einem ersten Quadranten I bewegt sich der Motor mit einer positiven Drehzahl ω vorwärts und treibt dabei beispielsweise eine Vorrichtung oder ein Objekt mit einem positiven Drehmoment T an. Im zweiten Quadranten II bewegt sich der Motor mit einer positiven Drehzahl ω vorwärts, und die Masse der Vorrichtung oder des Objekts wird mit einem negativen Drehmoment T verlangsamt. Im dritten Quadranten III bewegt sich der Motor in entgegengesetzter Richtung, und die Drehzahl ω ist negativ, und die Vorrichtung oder das Objekt wird ebenfalls in dieser Richtung angetrieben, so dass das Drehmoment T ebenfalls negativ ist. Im vierten Quadranten IV ist die Bewegungsrichtung der Vorrichtung oder des Objekts immer noch entgegengesetzt, dergestalt, dass die Drehzahl ω negativ ist, aber diese negative Drehzahl wird verlangsamt, weil das Drehmoment positiv ist.
Das Drehmoment T des Motors 27 ist durch den maximal zulässigen Druck im System, der durch den hydraulischen Umwandler, die Verbindungsleitungen und den Motor produziert wird, begrenzt. Die Drehzahl ω ist durch die zulässige Drehzahl des Motors begrenzt, und jeder Quadrant ist ebenfalls durch die zu produzierende Höchstleistung begrenzt, die durch die hyperbolische Grenzlinie der Quadranten dargestellt ist.
Wie im Schaubild zu sehen, wird das Druckverhältnis an den Rotoröffnungen 17, 18 und 18' durch die Drehstellung der Stirnplatte 10 bestimmt, im Schaubild angegeben durch den Stellwinkel δ in Bezug zum OT, d. h. zum oberen Totpunkt, bei dem es sich um die Position des Rotors 2 handelt, in der das Volumen der zylindrischen Kammern 12 am größten ist. Wie oben besprochen, sind die erste Rotoröffnung 18 und die zweite Rotoröffnung 18' mit den strömungsmäßigen Verbindungen des Motor 27 verbunden, und der Zuleitungsdruck P ist mit der Hochdruckrotoröffnung 17 verbunden.
Die Drehbewegung des Motors 27 mit der Drehzahl ω erfolgt durch die Wirkung des Drehmoments T, welches unter anderem vom Widerstand und der Beschleunigung und Verlangsamung der durch den Motor 27 angetriebenen Vorrichtungen und Objekte abhängt. Die Drehbewegung des Motors 27 bewirkt den Ölfluss und ebenso die Drehbewegung des Rotors 2 mit einer Drehzahl r. Die Drehrichtung und die Drehzahl r des Rotors 2 hängen von der Drehrichtung und der Drehzahl ω des Motors 27 ab.
Um auf sich verändernde Lasten reagieren zu können, muss die Stirnplatte rasch einstellbar und drehbar sein. Wenn beispielsweise der hydraulische Umwandler mit dem Motor in einem mobilen Antrieb verwendet wird, so ist es überaus wichtig, dass rasch von Bewegung auf Verlangsamung umgeschaltet werden kann, und dazu ist es notwendig, dass innerhalb von 500 ms die Last des Motors 27 mittels einer 180°-Drehung der Stirnplatte 10 vollständig umgekehrt werden kann. Das bedeutet, dass innerhalb von 500 ms die Stirnplatte 10 um 180° von der ersten äußersten Betriebsposition zur zweiten äußersten Betriebsposition gedreht werden kann, wobei der maximale Arbeitsdruck vom ersten Motoranschluss 28 zum zweiten Motoranschluss 29 und umgekehrt transformiert wird.
Damit das System ordnungsgemäß auf Lastschwankungen, die beispielsweise von variierenden Lasten herrühren, reagiert, wird ein Rückmeldungs-Steuerungssystem für den Antrieb der Stirnplatte verwendet, wobei die Rückmeldung durch Messen der Drehzahl des Motors (Drehzahl-Rückmeldung) oder durch Messen des Lastzustandes des Motors (Last-Rückmeldung) bewerkstelligt werden kann.
Eine Drehzahl-Rückmeldung kann in Frage kommen, wenn die Drehzahl r des Rotors gemessen wird oder wenn der Druckabfall bei Drosselung infolge eines Ölflusses gemessen wird. Eine Last-Rückmeldung kann in Frage kommen, wenn die Druckdifferenz zwischen der ersten Gehäuseöffnung 20 und der zweiten Gehäuseöffnung 20' gemessen wird. Der Antrieb der Stirnplatte 10 und das verwendete Steuerungssystem werden so abgestimmt, dass eine Antwortfrequenz von mindestens 3,5 Hz und bevorzugt eine Antwortfrequenz von mindestens 7 Hz realisiert wird. Das bedeutet, dass die Stirnplatte 10 in der Lage sein muss, sich rasch, beispielsweise innerhalb von 100 bis 200 ms, von der Zwischenstellung zur Maximalstellung, oder anders ausgedrückt: 90°, zu drehen. Zu diesem Zweck kann der Antrieb der Stirnplatte 10 einen elektrischen Servomotor umfassen, der an die Stellachse 8 angekoppelt ist. Alternativ kann die Stirnplatte 10 auch mittels eines Hydraulikzylinders eingestellt werden, der eine Zahnstange umfasst, die (in nicht gezeigter Weise) in die Zahnung 22 der Stirnplatte 10 eingreift und mittels eines Servoventils einstellbar ist.
9 zeigt einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder 32, der ein Gehäuse 31 mit einem vertikal beweglichen Kolben 33 umfasst. Der Kolben ist in beiden Richtungen x beweglich und kann dabei eine Kraft P in beiden Richtungen ausüben. Somit kann der doppeltwirkende Hydraulikzylinder 32 in ähnlicher Weise verwendet werden wie in der Anwendung des drehbaren Hydromotors, der in 8 beschrieben ist, wodurch er sich für den Vier-Quadranten-Einsatz eignet. An der Unterseite bilden das Gehäuse 31 und der Kolben 33 eine Kammer 34, die über eine Verbindungsleitung 38 in strömungsmäßiger Verbindung mit einem Anschluss eines hydraulischen Umwandlers 40 steht. Über eine Verbindungsleitung 37 steht eine Kammer 35, die durch den oberen Abschnitt des Kolbens 33 und das Gehäuse 31 gebildet wird, in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Hydraulischen Umwandler 40. Der hydraulische Umwandler 40 ist eine einfache Ausführungsform des hydraulischen Umwandlers, der in den vorangehenden Figuren beschrieben ist. Die Vereinfachung besteht darin, dass die Leitungsverbindungen wie beispielsweise die Hochdruckleitung P und die Verbindungsleitung 37 und 38 in strömungsmäßiger Verbindung mit den drei Kanälen in der Stirnplatte stehen. Um dafür zu sorgen, dass in bestimmten Lastsituationen die Masse im hydraulischen Umwandler 40 hinreichend ausgeglichen bleibt, muss Fluid von oder zum Tankanschluss T transportiert werden. Um dafür zu sorgen, dass dieser Transport zur drucklosen Leitung des hydraulischen Umwandlers 90 stattfindet, ist ein Ventil 36 bereitgestellt, das über die Stellung der Stirnplatte oder den Druck in der Verbindungsleitung 37 und/oder 38 arbeitet. Das Lecköl im hydraulischen Umwandler 40 wird über einen Leckölablass 39 zum Tankanschluss T abgelassen.
10 zeigt einen einfachwirkenden Hydraulikzylinder 41, der ein Gehäuse 31 mit einen Kolben 33 umfasst. Der Kolben 33 ist in beiden Richtungen x beweglich und kann dabei eine Kraft in einer Richtung P ausüben. Somit eignet sich der einfachwirkende Hydraulikzylinder 41 nur für den Einsatz in einem ersten und vierten Quadranten, wie in 8 dargestellt, wo man an die Stelle von Drehmoment und Drehbewegung Last und Verschiebung setzen muss. Eine Verbindungsleitung 38 koppelt den einfachwirkenden Hydraulikzylinder 41 an einen hydraulischen Umwandler 41, der mit dem oben erwähnten hydraulischen Umwandler 40 vergleichbar ist und in dem die Drehbewegung der Stirnplatte so begrenzt ist, dass der Druck in der Verbindungsleitung 37 nie den Druck im Tankanschluss T übersteigt. Infolge der Trägheit des Kolbens 33 oder der mit ihm verbundenen Masse ist es möglich, dass, wenn die Stirnplatte eingestellt wird, die Verbindungsleitung 38 soweit drucklos wird, dass sich in dieser Verbindungsleitung 38 oder in der Kammer 34 ein Hohlsog bildet. Um das zu vermeiden, steht die Verbindungsleitung 38 über ein Rückschlagventil 43 in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Tankanschluss T.
Das Kurvendiagramm von 11 zeigt den Arbeitsbereich eines hydraulischen Umwandlers, wobei der hydraulische Umwandler von einer Hochdruckleitung mit einem konstanten Druck P gespeist wird und an einen Motor gekoppelt ist, beispielsweise einen sich drehenden Hydromotor. Der konstante Arbeitsdruck P wird mittels eines Aggregates erzeugt. Im Kurvendiagramm ist der Druck P gegen den Volumenölfluss Q zum Hydromotor aufgetragen. Um den hydraulischen Umwandler, die Verbindungsleitungen und den Motor vor Überlastung zu schützen, ist der Druck auf P_max begrenzt, indem die Drehbewegung der Stirnplatte begrenzt wird. Wie bereits bekannt, kann P_max höher sein als der Druck in der Hochdruckleitung P, so dass es an einer begrenzten Zahl von Stellen in einer Anlage möglich ist, Motoren mit einem höheren zulässigen Druck einzusetzen. Die Werte für den Druck P und den Volumenfluss Q, die im Kurvendiagramm dargestellt sind, entsprechen der Last vom Hydromotor bzw. der Drehzahl des Hydromotors. Die Leistung, die vom hydraulischen Umwandler und somit auch vom Hydromotor erzeugt wird, ist durch die Strich-Punkt-Linien P₁, P₂ und P₃ angegeben.
Der an den hydraulischen Umwandler gekoppelte Motor wird durch Variieren des Drucks gesteuert, was eine Drehung des Motors und den Fluss des Volumens durch den hydraulischen Umwandler bewirkt. In einer Hochdruckleitung mit einem konstanten Druck P kann der Volumenfluss unbegrenzt ansteigen, solange die vom Motor erzeugte Last größer ist als die Last, die von der angetriebenen Maschine verbraucht wird. Der Motor könnte eine unzulässige Drehzahl aufbauen, oder es könnte unzulässig viel Leistung von der Hochdruckleitung verbraucht werden. Die Stelle im Kurvendiagramm, die mit W bezeichnet ist, ist die verbrauchte Leistung P₁ und der Fluidfluss Q₂. Der Arbeitsbereich ist dann A + B + C + D, und die Aufgabe besteht darin, ihn zu begrenzen. Durch Begrenzung des Fluidflusses Q auf Q₁ wird die erzeugte maximale Leistung zu P₃, und der Arbeitsbereich wird zu A + B. Das kann dazu führen, dass der Hydromotor zu viel Leistung verbraucht, so dass das Aggregat nicht genügend Öl zuführen kann. Durch Begrenzen der vom hydraulischen Umwandler zu erzeugenden Leistung auf P₃ wird der Arbeitsbereich zu A + C verringert. Man darf jedoch nicht vergessen, dass es keine Begrenzung auf Q₂ gibt, so dass während der Lastverringerung die Umdrehungszahl des Hydromotors immer noch unzulässig hoch sein kann. Durch Kombinieren der Begrenzung des Fluidflusses und der Leistung wird der Arbeitsbereich zu A verringert.
12 zeigt, wie der Arbeitsbereich mittels eines Steuerungssystems begrenzt werden kann. Ein schematisch angegebener hydraulischer Umwandler 44 umfasst einen Einstellmechanismus für die Stirnplatte, wobei dieser Einstellmechanismus 45 durch ein Betätigungsglied 46 betätigt wird. Das Betätigungsglied 46 wird durch ein Steuerungssystem 47 gesteuert, das so konstruiert ist, dass es den Motor sich in einer ganz bestimmten Weise bewegen lässt. In der Hochdruckleitung von einer Druckquelle P zum hydraulischen Umwandler 44 ist ein Sensor 50 angeordnet, der die Durchflussrate messen kann oder der zumindest ein Signal abgibt, wenn die Durchflussrate einen eingestellten Wert übersteigt. Der hydraulische Umwandler 44 ist mittels Verbindungsleitungen 51 mit einem Hydromotor 48 verbunden. Die Verbindungsleitungen 51 sind mit einem Sensor 49 ausgestattet, welcher dem Sensor 50 ähnelt. Die Sensoren 49 und 50 sind an das Steuerungssystem 47 angekoppelt.
Durch Erfassen des Ölflusses zum hydraulischen Umwandler 44 mittels Sensor 50 wird die verbrauchte Leistung gemessen, und die Stirnplatte kann mittels des Betätigungsgliedes 46 so eingestellt werden, dass die vom hydraulischen Umwandler verbrauchte Leistung auf einen eingestellten Wert begrenzt werden kann. Durch Erfassen des Ölflusses in der Verbindungsleitung 51 mittels des Sensors 49 kann die Fluidströmung begrenzt werden. Anstatt die Fluidströmung direkt in der Verbindungsleitung 51 zu messen, kann man sie auch auf andere Weise bestimmen, beispielsweise durch Zählen der Umdrehungen des Rotors des hydraulischen Umwandlers 44 oder des Hydromotors 48.
Abgesehen von der oben beschriebenen Ausführungsform kann das Steuerungssystem 47 auch einen Algorithmus für das Berechnen der verschiedenen Durchflussraten und/oder der verbrauchten Leistung umfassen. Zu diesem Zweck ist der Druck in der Hochdruckleitung im Steuerungssystem 47 bekannt, beispielsweise über einen Sensor oder als voreingestellter Wert. Beispielsweise über die Position des Betätigungsgliedes 46 ist die Stellung der Stirnplatte bekannt, und es ist eine der Raten im System, wie beispielsweise die Durchflussrate in der Hochdruckleitung zum hydraulischen Umwandler 44, die Durchflussrate in einer Verbindungsleitung 51, die Drehzahl des Rotors des hydraulischen Umwandlers oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Motors 48, bekannt.
13 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform für die Begrenzung der Fluidströmung durch den hydraulischen Umwandler 44, wobei der Einstellmechanismus 45 der Stirnplatte manuell bedient wird. Um übermäßig hohe Drehzahlen des Motors 48, der durch den Hydraulischen Umwandler 44 gesteuert wird, zu begrenzen, wird ein Mechanismus für die Begrenzung des Hubes des Einstellmechanismus' 45 bereitgestellt, falls die Durchflussrate in der Verbindungsleitung 51 einen voreingestellten Wert überschreitet. An dem Einstellmechanismus 45 ist eine Stange 52 angebracht, die in eine Buchse hineingleiten kann. Die Buchse 53 ist an einem Hydraulikzylinder 55 befestigt, dessen Kolben, wenn ungenügender Druck in einer Signalleitung 56 anliegt, durch eine Feder 54 in einer äußersten Stellung festgehalten wird. In dieser Position kann sich die Stange 52 frei in der Buchse 53 bewegen, und der Einstellmechanismus 45 kann frei bewegt werden. In beiden Strömungsrichtungen in der Verbindungsleitung 51 ist nach einem Rückschlagventil 58 ein Begrenzer 57 eingebaut, der oberhalb einer bestimmten Durchflussrate in der Signalleitung 56 oder einer Signalleitung 60 einen Druckaufbau bewirkt. Der Druck in der Signalleitung 56 drückt den Kolben entgegen dem Federdruck im Hydraulikzylinder 55 in Richtung seiner zweiten äußeren Position und drückt das Einstellmittel 45 dergestalt in eine Richtung, dass die Durchflussrate abnimmt.
Wenn die Durchflussrate in der entgegengesetzten Richtung zu hoch ist, so steigt der Druck in der Signalleitung 60 so an, dass ein identischer Zylinder den Einstellmechanismus 45 in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Zusätzlich zur oder anstelle der Begrenzung der Durchflussrate, wie hier gezeigt, kann auch die Leistung in ähnlicher Weise begrenzt werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform mit einer Begrenzung der Leistung, die durch einen Motor erzeugt werden soll, kommt in Situationen zum Einsatz, wo mehrere Motoren und andere Abnehmer an eine gemeinsame Hochdruckleitung angekoppelt sind. Mittels des Steuerungssystems 47 ist es möglich, die Leistung zu begrenzen, die von den verschiedenen Motoren verbraucht wird, was beispielsweise erforderlich sein kann, wenn die hydraulische Leistung, die durch ein Aggregat erzeugt werden soll, begrenzt ist und wenn Teile der Anlage immer betriebsbereit sein müssen.
Neben der oben beschriebenen Begrenzung der Leistung und/oder Drehzahl, wobei die Einstellung mehr oder weniger ohne Energieverlust vonstatten geht, ist auch eine ein fachere Ausführungsform möglich, wobei ein Durchflussbegrenzungsventil in der Hochdruckleitung zum Hydraulischen Umwandler und/oder in der Verbindungsleitung zum Hydromotor vorgesehen ist. Die Begrenzung des Durchflusses wird durch Drosselung des Ölstromes bewerkstelligt, dergestalt, dass Energie verloren geht. Wegen der Einfachheit der Ausführungsform und dem hohen Grad an Betriebssicherheit kann diese Lösung als zusätzliche Sicherheit neben dem oben beschrieben höherentwickelten Steuerungssystem verwendet werden.
Ein Beispiel für die oben beschriebene Anlage ist ein Gabelstapler mit einem Hydraulikaggregat, wo immer genügend Energie vorhanden sein muss, um beispielsweise die Last zu heben. In diesem Anwendungsbeispiel ist die verbrauchte Leistung wegen des beweglichen Antriebes beispielsweise auf 90% der Leistung des Aggregates begrenzt, so dass immer genügend Energie übrig bleibt, um den Antrieb des Hebemechanismus' zu betätigen.
Das oben besprochene Steuerungsmittel 47 kann auch verwendet werden, um den hydraulischen Umwandler 44 so zu steuern, dass Verschiebungen schon bei niedriger Drehzahl möglich sind. Der hydraulische Umwandler steuert die Bewegung des Hydromotors 48 über den Fluiddruck, mit der Folge, dass wegen der Komprimierbarkeit des Fluids im hydraulischen Umwandler und wegen der Druckschwankungen während der Drehbewegung des Rotors des hydraulischen Umwandlers der Hydromotor nicht sofort zu arbeiten beginnt, wenn der Einstellmechanismus 45 betätigt wird, so dass zusätzliche Vorkehrungen notwendig sind. Kleine Bewegungen des Hydromotors sind möglich, wenn während der Betätigung durch den Einstellmechanismus die Stirnplatte um die eingestellte Position herum mit einer Auslenkung von vorzugsweise 10 Grad oszilliert. Die Oszillationsfrequenz hängt vom Hydraulischen Umwandler, dem Hydromotor 48 und den Verbindungsleitungen 51 ab und kann zwischen 3 und 16 Hertz oder mehr betragen. Um einen Energieverlust während der Einstellung der Stirnplatte zu vermeiden, ist die gewählte Frequenz vorzugsweise so niedrig wie möglich. In der Praxis haben sich 7 Hertz als eine gute Oszillationsfrequenz erwiesen. Die Oszillation der Stirnplatte um eine eingestellte Position herum in der oben dargelegten Weise ruft Druckoszillationen der gleichen Frequenz in der Verbindungsleitung hervor, und dies gestattet dem Hydromotor 48, sich mit geringer Drehzahl über eine relativ große Distanz zu bewegen, was präzise Verschiebungen erleichtert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Stirnplatte sich immer im Gehäuseinneren bewegt, so dass sich immer ein Ölfilm zwischen dem Gehäuse und der Stirnplatte befindet, mit der Folge, dass weniger Energie für die Einstellung der Stirnplatte benötigt wird.
Neben der oben dargelegten Weise für das Oszillieren der Stirnplatte mittels eines Betätigungsgliedes 46, das durch ein Steuerungssystem 47 gesteuert wird, kann der Einstellmechanismus 45 auch eine hydraulisch angetriebene Oszillation um den eingestellten Wert herum ausführen, so dass diese Oszillation auch beispielsweise in einer manuell gesteuerten Ausführungsform, wie in 13 beschrieben, zum Einsatz kommen kann.
Anstelle der oben beschrieben Oszillation der Stirnplatte um die eingestellte Position herum ist es auch möglich, den gleichen Effekt zu erhalten, wenn der hydraulische Umwandler mit einem Mechanismus versehen ist, durch den der obere Totpunkt OT um eine Gleichgewichtsposition herum oszilliert, indem beispielsweise dem Knickgehäuse 3 (siehe 1) gestattet wird, relativ zum Gehäuse 5 zu oszillieren. Dies unterscheidet die Oszillation von der Einstellung der Stirnplatte 10, wodurch die Einstellung der Stirnplatte vereinfacht wird.

Claims

Vorrichtung zum Ausführen von Aktivitäten, die durch Einrichtungen unterstützt werden, die mittels rotierenden oder linearen Hydromotoren (27; 32; 41; 48) angetrieben werden, wobei die Hydromotoren in zwei Richtungen belastet und/oder bewegt werden können, umfassend: eine Druckquelle (P), die dazu dient, unter hohen Druck gesetztes Fluid zu speichern und zuzuführen, wenigstens einen hydraulischen Umwandler, eine Hochdruckleitung und Niederdruckleitung (T), die dazu dienen, dem wenigstens einen mit einem Rotor (2) und Einstellmitteln (8; 45) versehenen hydraulischen Umwandler (HT; 40; 42; 44) Fluid zuzuführen bzw. von diesem abzuführen, einen Hydromotor, der über Verbindungsleitungen (28, 29; 37, 38; 51) mit dem hydraulischen Umwandler verbunden ist und Steuerungsmittel (8; 47), die dazu dienen, die Einstellmittel zu regeln/steuern und dadurch den Fluiddruck in den Verbindungsleitungen zu regeln/steuern, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmittel einen Sensor (49; 57) umfasst, der dazu dient, den Fluidstrom in den Verbindungsleitungen zwischen dem Hydromotor und dem hydraulischen Umwandler mittelbar oder unmittelbar zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Strömungssensor in einer der Verbindungsleitungen (28, 29; 37, 38; 51) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Drehzahlsensor ist, der geeignet ist, um die Rate der Drehbewegung des Rotors (2) zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Bewegungssensor ist, der geeignet ist, die Rate der Bewegung des Hydromotors (27, 32; 48) zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Teil eines in der Hochdruckleitung zu dem hydraulischen Umwandler und/oder in der Verbindungsleitung angeordneten Strömungsbegrenzungsventils bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (49, 50; 57) an die Einstellmittel (45, 46; 55) gekoppelt ist, um abhängig von der gemessenen Flussrate den Druck in der Verbindungsleitung (51) einzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Druckquelle ein Aggregat umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel (47) so eingestellt sind, dass die von dem Hydromotor verwendete Leistung unterhalb eines einstellbaren Leistungswerts liegt, der beispielsweise einem Teil der Leistung des Aggregats entspricht, das dieses abzugeben in der Lage ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Umwandler (44) mit Mitteln (45, 46, 47) versehen ist, um zu bewirken, dass der Druck in der(den) Verbindungsleitung(en) (51) mit einer Frequenz von wenigstens 3 Hertz, und vorzugsweise mehr als 7 Hertz, um einen eingestellten Wert oszilliert.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welcher der hydraulische Umwandler eine kontinuierlich veränderbare Einstellung aufweist, die durch die Einstellmittel geregelt/gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel geeignet konstruiert sind, um in der Lage zu sein, den Einstellwert innerhalb von 500 Millisekunden von der ersten Extremeinstellung über die Nullstellung hinweg in die zweite Extremeinstellung zu ändern.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel mit federbetätigten Elementen ausgestattet sind, die dazu dienen, den hydraulischen Umwandler in eine neutrale Stellung zurückzuversetzen, bei welcher der Druck in der(den) Verbindungsleitung(en) minimal ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welcher der Hydromotor ein linearer Zylinder (31) ist, der über eine Verbindungsleitung (38) mit dem hydraulischen Umwandler (42) strömungsmäßig in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung mit Mitteln (43) versehen ist, die geeignet sind, mit Unterdruck Fluid aus der Niederdruckleitung zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der hydraulischen Umwandler und die damit in strömungsmäßiger Verbindung stehenden Verbindungsleitung(en) und der Hydromotor für einen Druck geeignet sind, der den in der Hochdruckleitung herrschenden Druck überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welcher der Rotor (2) mehrere Fluidkammern (12), deren Volumen zwischen einem Minimum und einem Maximum variiert, wenn der Rotor (2) um einen ersten Winkel gedreht wird, und eine Stirnplatte (10) umfasst, die bei einer Drehbewegung des Rotors (2) die Fluidkammern (12) über die Rotoröffnungen (17, 18, 18') mit den Verbindungsleitungen, der Hochdruckleitung oder der Niederdruckleitung im Wechsel strömungsmäßig abdichtet und verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der durch die Stirnplatte (10) abzudichtenden Fluidkammern (12) maximal fünfmal so groß ist wie dessen Minimum.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mittels der Stirnplatte (10) abzudichtende Volumen der Fluidkammern (12) maximal dreimal so groß ist wie dessen Minimum.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor neun oder zwölf Fluidkammern aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnplattenöffnungen (30) gleichmäßig um den Rotor (2) beabstandet sind und die Rotoröffnungen (17, 18, 18') so dimensioniert sind, dass zumindest zwei der drei Rotoröffnungen dieselbe Abmessung aufweisen, und sämtliche drei zwischen den Rotoröffnungen vorhandenen Wände (23) gleichzeitig eine Stirnplattenöffnung (30) abdichten können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnplatte (10) in der Lage ist, sich in Bezug auf das Gehäuse (5) um einen zweiten Winkel zu drehen, der dem ersten Winkel ähnelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die Stirnplatte (10) auf der den Fluidkammern (12) zugewandten Seite durch eine erste trennende Fläche (V1) und auf der den Fluidkammern abgewandten Seite durch eine zweite trennende Fläche (V2) begrenzt ist, wobei die erste trennende Fläche wenigstens drei Rotoröffnungen (17, 18, 18') umfasst, die an einem ersten Stirnplattenkanal (b) angeordnet sind, und die zweite trennende Fläche (V2) zwei Gehäuseöffnungen (20, 20') umfasst, die an einem zweiten Radius angeordnet sind und jeweils in strömungsmäßiger Verbindung mit einem Stirnplattenkanal (b) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Stirnplattenkanal in strömungsmäßiger Verbindung mit einer Gehäuseöffnung ist, die an einem dritten Radius angeordnet ist, der sich von dem zweiten Radius unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der dritte Stirnplattenkanal mit einer Gehäuseöffnung an dem äußeren Umfang der Stirnplatte in strömungsmäßiger Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der dritte Stirnplattenkanal mit einer Gehäuseöffnung (21) nahe der Drehachse (11) der Stirnplatte (10) in strömungsmäßiger Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) an der zweiten trennenden Fläche (V2) u. a. mit vier Stirnplattenöffnungen (24) versehen ist, die an dem zweiten Radius angeordnet sind; wobei zwei Stirnplattenöffnungen (24a, 24c) einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind und in unmittelbarer strömungsmäßiger Verbindung mit dem ersten (B) bzw. dem zweiten (T) Leitungsanschluss stehen, während die beiden anderen einander diametral gegenüberliegend angeordneten Stirnplattenöffnungen (24b, 24d) über ein Wechselventil (26) mit dem ersten (B) und dem zweiten Leitungsanschluss (T) in strömungsmäßiger Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselventil (26) einen Teil der Stirnplatte (10) bildet oder an diese gekoppelt ist.