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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verstelleinrichtung einer in ihrem Hubvolumen verstellbaren Hydraulikmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere Hydraulikmaschinen, die über eine Servoverstelleinheit und über ein mit ihr mechanisch verbundenes Verstellelement, beispielsweise eine Schrägscheibe oder eine Schrägachse, in ihrem Förder- bzw. Schluckvolumen einstellbar sind. Dabei umfasst der Erfindungsgedanke alle Arten von Hydraulikmaschinen mit einer durch einen Steuerschieber steuerbaren Servoverstellung. Die Erfindung betrifft bevorzugt hydrostatische Verstelleinrichtungen für Hydraulikmaschinen mit mechanischer Positionsrückführung des Steuerschiebers bzw. Steuerkolbens in die Nulllage nach erfolgter Verstellung der Hydraulikmaschine. Die Erfindung betrifft auch einen Steuerkolben, der in einer derartigen Verstelleinrichtung einsetzbar ist.
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Beispielsweise werden in hydrostatischen Fahrantrieben mit geschlossenem oder offenem Hydraulikfluidkreislauf Hydraulikpumpen und Hydraulikmotoren eingesetzt, die üblicherweise gesteuerte Servoverstellungen zur Einstellung der Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme der Hydraulikmaschine aufweisen. Bei vielen wird dabei die Position bzw. Ausschwenkung des Verstellelements, beispielsweise der Schrägscheibe oder der Schrägachse, über eine Servoverstelleinheit gesteuert und damit das Fördervolumen der Hydraulikmaschine eingestellt. Dies erfolgt bevorzugt proportional zu einem Eingangssignal auf einen Aktuator, das ein mechanisches Kraftsignal, z. B. als Folge einer Hebelbewegung, oder auch ein elektrisch erzeugtes Kraftsignal, z. B. als Folge eines Stroms zu einem Proportionalmagneten, sein kann. Über eine Positionsrückführeinrichtung, welche beispielsweise eine mechanische Positionsrückführung gemäß
DE 10 2004 033 376 B3 sein kann, wird der von dem Aktuator ausgelenkte Steuerkolben bei Erreichen der vorgewählten Fördermenge/Schluckvolumen der Hydraulikmaschine zurück in seine Ausgangsstellung verbracht, welche bevorzugt die Neutralstellung ist. Gleichzeitig wird damit ein Abgleich zwischen dem Eingangssignal und der realen Position des Verstellelements realisiert und ein Regelkreis zwischen Steuervorrichtung und Verstellelement der Servoverstellung geschlossen. In der Ausgangsstellung des Steuerkolbens ist die Rückführkraft der Positionsrückführvorrichtung mit der Aktuatorkraft im Kräftegleichgewicht.
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Eine gattungsbildende hydrostatische Verstelleinrichtung zur beispielsweise stufenlosen Verstellung des Förderstroms einer hydraulischen Fördereinrichtung mit zwei Förderrichtungen ist z. B. in
DE 10 2008 052 338 B3 beschrieben und bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Die bekannte Verstelleinrichtung zum Zentrieren von Steuerkolben weist eine Steuereinheit auf, welche einen Steuerzylinder zeigt, der mit zwei Einlässen für unter Druck stehendes Hydraulikfluid, mit zwei Servoanschlüssen für Verbindungsleitungen zu einer Servoverstelleinheit und mindestens einem Auslass zu einem Hydraulikfluidsammelbereich versehen ist. Im Steuerzylinder ist ein Steuerkolben angeordnet, der mittels je eines an seinen Stirnflächen angreifenden, als Aktuator wirkenden, Elektro-Magneten verschiebbar ist. Durch ein Zusammenwirken mehrerer Steuerkanten des Steuerkolbens mit im Steuerzylinder ausgebildeten Steuerkanten sind die beiden Einlässe oder der Auslass zum Tank wechselweise mit den Verbindungsleitungen zur Servoverstelleinheit hydraulisch verbindbar, wodurch der Servodruck in den Servozylindern der Servoverstelleinheit den Leistungsbedürfnissen der Hydraulikmaschine angepasst werden kann. Über ein Verstellelement, das mechanisch mit den Servokolben gekoppelt ist, wird das Fördervolumen der Hydraulikmaschine eingestellt. Über eine mechanische Positionsrückführung wird der Steuerschieber bzw. Steuerkolben durch elastische Vorspannkräfte nach Erreichen der vorgewählten Förderleistung in seine Ausgangslage, bevorzugt in die Neutrallage, zurückgeführt. Gleichzeitig wird der in den Verbindungsleitungen zur Servoverstelleinheit herrschende Servodruck in reduzierter Höhe über jeweils eine von zwei Bypassleitungen auf eine der beiden Stirnseiten des Steuerkolbens hydraulisch rückgeführt. Das in den an sich abgedichteten Servoräumen des Servozylinders herrschende Druckniveau wird dabei in verminderter Höhe auf die Stirnflächen des Steuerkolbens zugeführt und weiter zu einem unter Ableitungsdruck stehenden Hydraulikfluidsammelbereich der Hydraulikmaschine abgeleitet. Aufgrund der Rückführung des Servodrucks in verminderter Höhe auf die Stirnseiten des Steuerkolbens wird der Steuerkolben zusätzlich zur Federkraft der mechanischen Positionsrückführung in seiner Nulllage gehalten bzw. zentriert. Die Reduzierung des Drucks in den Bypassleitungen erfolgt in herkömmlicher Weise über Blenden, Drosseln oder Düsen.
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Die Ausbildung der hydrostatischen Verstelleinrichtung gemäß
DE 10 2008 052 338 B3 dient ausschließlich der Zentrierung des Steuerkolbens in der Null-Position – bei einer vorzugsweise negativen Überdeckung der Steuerkanten im Steuerzylinder. Die im Patent
DE 10 2008 052 338 B3 beschriebene hydrostatische Verstelleinrichtung zum Zentrieren von Steuerkolben zeigt trotz einer mechanischen Positionsrückführung, welche eine Lastunabhängigkeit der Hydraulikmaschine unterstützt, eine gewisse Tendenz zur Lastabhängigkeit.
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Unter „Lastabhängigkeit” einer Verstelleinrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung zu verstehen, dass die Höhe der jeweils auf die Hydraulikmaschine einwirkenden veränderlichen äußeren Belastungen, über die Verstelleinrichtung Einfluss auf die Höhe der in den Servoräumen herrschenden Drücke hat und sich durch eine Veränderung der relativen Position des Servokolbens im Servozylinder das Fördervolumen der Hydraulikmaschine lastabhängig ändert. Wechselt beispielsweise eine mit einem hydrostatischen Antrieb ausgestattete Arbeitsmaschine von einer konstanten Fahrt in der Ebene in eine Bergfahrt, so steigt der Hochdruck im Arbeitskreislauf des hydrostatischen Antriebs. Tendenziell ist die Hydraulikpumpe des hydrostatischen Antriebs bestrebt, dieser Druckerhöhung auszuweichen, indem sie versucht ihre Fördermenge zu reduzieren, wobei das Verstellelement der Servoverstellung eine erhöhte Kraft in Richtung Nullstellung der Pumpe erzeugt. Diese Kraft stützt sich auf dem mit Hydraulikfluid unter Steuerdruck belasteten Servokolben ab und der Servokolben wird tendenziell in Richtung Verkleinerung des Servoraumes verschoben. Wird eine solche Bewegung des Servokolbens systembedingt nicht zugelassen, weil bspw. eine Positionsrückführeinrichtung einer lastbedingten Tendenz der Änderung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine entgegensteuert, spricht man von einem laststeifen hydrostatischen Antrieb. Wird hingegen eine solche lastbedingte Bewegung des Servokolben (kontrolliert) zugelassen, so spricht man von einem lastweichen hydrostatischen Antrieb, da dann der lastbedingten Tendenz der Änderung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine zumindest teilweise gefolgt wird.
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Die gemäß
DE 10 2008 052 338 B3 aufgrund der rückgeführten Servodrücke zusätzlichen Druckkräfte auf den Steuerkolben wirken gegen die von den Elektro-Magneten auf den Steuerkolben ausgeübten Kräften, wodurch die Stellung des Steuerkolbens im Steuerzylinder veränderbar ist. In weiterer Folge werden die Drücke in den Servoräumen des Servozylinders und damit die Stellung der Servokolben in den jeweiligen Servozylindern lastabhängig angepasst. Die damit einhergehende Positionsänderung des Verstellelements bewirkt eine lastabhängige Anpassung des Fördervolumens der Hydraulikmaschine. Beispielsweise wird mit steigender Last auf den hydrostatischen Antrieb die Fördermenge einer Hydraulikpumpe reduziert, wenn sich der Druck im Arbeitskreislauf der Hydraulikmaschine erhöht. Die in
DE 10 2008 052 338 B3 beschriebene Verstelleinheit ist daher in gewisser Weise „lastfühlig”.
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Ob ein laststeifer oder ein lastweicher hydrostatischer Antrieb einer Arbeitsmaschine eingesetzt werden soll, hängt z. B. von Leistungsbedürfnissen im Einsatz des hydrostatischen Antriebs, der Lastsituation und/oder den Leistungsreserven des den hydrostatischen Antrieb antreibenden Antriebsmotors ab. In vielen Anwendungen, vorwiegend bei mobilen Arbeitsmaschinen, wäre ein Wechsel zwischen beiden Arten der Servoverstellung, also zwischen laststeif und lastweich in Anpassung an den jeweiligen Einsatzfall von Vorteil. Für ein Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, unabhängig von z. B. Steigung oder Gefälle und damit von der äußeren Last, wäre beispielsweise ein laststeifes Verhalten der Hydraulikmaschine von Vorteil. In einem anderen Einsatzfall desselben Fahrzeugs soll beispielsweise die verfügbare Antriebsleistung abhängig von der Steigung oder dem Untergrund immer in die dabei maximal mögliche Fahrgeschwindigkeit umgesetzt werden, ohne den Antrieb, d. h. den Antriebsmotor zu überlasten. Dieses lastweiche Verhalten wird oft als automotives Fahren bezeichnet. Als ein den Erfindungsgedanken nicht einschränkendes Beispiel, soll eine Straßen-Kehrmaschine genannt werden, die während des Kehrens bevorzugt mit konstanter (langsamer) Geschwindigkeit fährt, um ein möglichst gutes Kehrergebnis zu erzielen. Jedoch soll die Kehrmaschine auf ihrem Weg zum und vom Einsatzort, beispielsweise auf der Fahrt zur Deponie, mit maximal möglicher Geschwindigkeit fahren können, um Zeitverluste so gering wie möglich zu halten. Hier ist es wünschenswert, dass der Fahrantrieb der Kehrmaschine einsatzbedingt im ersten Fall laststeif und im zweiten Fall lastweich betrieben werden kann.
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Im Patent
DE 10 2004 033 376 B3 wird ein laststeifer, hydraulischer Antrieb mit einer Servoverstelleinrichtung und einer mechanischen Positionsrückführung beschrieben. Eine solche laststeife Verstelleinrichtung kann beispielsweise lastangepasst gesteuert werden, wenn einem Mikrocontroller, der in Verbindung mit entsprechender Sensorik ist, die entsprechenden Informationen über die vorhandene Last und die verfügbare Leistung zur Verfügung gestellt wird. Der Mikrocontroller setzt dann diese Informationen in adäquate Eingangssignale für die Proportionalmagnete der Verstelleinrichtung um. Kosten, Zuverlässigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Regelbarkeit setzen dieser Ausführung jedoch Grenzen.
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Umgekehrt kann über eine geeignete Sensorik und einen Mikrokontroller auch eine lastabhängige bzw. lastweiche Servoverstellung so angesteuert werden, dass die Lastabhängigkeit minimiert wird. Auch in diesem Fall benötigt z. B. ein Mikrocontroller, der in Verbindung mit entsprechender Sensorik steht, die nötigen Informationen über die vorhandene Last, die er in adäquate Eingangssignale für die Verstelleinheit umsetzt. Neben Kosten, Zuverlässigkeit und Regelbarkeit bzw. Regelzeit ist – wie auch bei dem zuvor angesprochenen laststeifen System – die auf elektrischen Signalen basierenden Regelung hinsichtlich schneller und präziser Regelbarkeit ein technisches Problem, das nur durch Einsatz aufwendiger und kostspieliger Elektronik in den Griff zu bekommen ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die geeignet ist, im Betrieb eines hydrostatischen Antriebs zwischen einem laststeifen und einem lastweichen Verhalten des Antriebs und umgekehrt nach Maßgabe eines Maschinenbedieners und/oder der Einsatzbedingungen des hydraulischen Antriebs wechseln zu können. Die technische Lösung für eine derartige Verstelleinrichtung soll präzise und schnell das laststeife Verhalten eines hydrostatischen Antriebs zu einem lastweichen Verhalten des hydrostatischen Antriebs und umgekehrt umschalten können, wobei das lastweiche Verhalten in seiner Empfindlichkeit bevorzugt einstellbar, besonders bevorzugt stufenlos einstellbar ist. Die Verstelleinrichtung soll dabei robust und mit wenigen Bauteilen auskommend bei geringem Raumbedarf und niedrigen Kosten realisierbar sein. Des Weiteren soll der Einsatz von Sensorik und/oder Elektronik auf ein Minimum beschränkt sein. Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen Steuerkolben bereitzustellen, der für den Einsatz, auch als Nachrüst-Bauteil, in der Verstelleinrichtung einer Hydraulikmaschine geeignet ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 dadurch, dass bei einer Versteileinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zumindest eine den Druck im Servozylinder auf eine Stirnseite des Steuerkolbens zurückführende Steuerleitung bedarfsgerecht geöffnet und geschlossen werden kann.
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Bezüglich eines Steuerkolbens wird die zugehörige Teilaufgabe durch einen gattungsgemäßen Steuerkolben mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 17 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein hydrostatischer Antrieb mit einer Verstelleinrichtung und zumindest einer Steuerleitung bzw. Bypassleitung gemäß
DE 10 2008 052 338 B3 eine Tendenz für ein lastweiches Betriebsverhalten zeigt, entsprechend der auf die Stirnflächen des Steuerkolbens wirkenden zusätzlichen Kräfte aufgrund der ansteigenden oder sinkenden Drücke aus dem Arbeitskreislauf. Durch die sich verändernden, zunehmenden oder abnehmenden äußeren Lasten, ändern sich die Drücke in den Servoräumen entsprechend. Die Lastweichheit wird durch den aus den Servoräumen über die Steuerleitungen zurückgeführten Druck auf zumindest eine Stirnseite des Steuerkolbens generiert, wodurch dieser aus seiner derzeitigen relativen Position im Steuerzylinder verschoben wird. Im Antriebsbetrieb eines hydrostatischen Antriebs wird der Druck der aktiven Servoseite, also der Servoseite, deren Servoraum mit unter Steuerdruck stehender Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt ist, auf die Stirnfläche der passiven Seite des Steuerkolben zurückgeführt, d. h. auf die Stirnfläche des Steuerkolbens, die nicht von einem Aktuator mit Kraft beaufschlagt wird.
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Dieses Betriebsverhalten kann gemäß der Erfindung in ein laststeifes Verhalten geändert werden, indem diejenige Steuerleitung geschlossen wird, die den Druck aus dem Servoraum auf die Stirnseite des Steuerschiebers zurückleitet. Die auf den Steuerkolben wirkenden Kräfte werden dann allein von der Ansteuerung des auf ihn einwirkenden Aktuators und einer ggf. mechanischen Positionsrückführeinrichtung bestimmt. Eine Abhängigkeit von der auf die Hydraulikmaschine einwirkenden äußeren Last ist damit unterbunden. Schwankungen des Servodrucks im Servozylinder haben so keine Auswirkung mehr auf die Kräfte am Steuerkolben.
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Das oben beschriebene Betriebsverhalten eines hydrostatischen Antriebs bzw. seine Umstellung von lastweich (= lastabhängig) auf laststeif (= lastunabhängig) ist dabei sowohl bei einseitig verstellbaren hydrostatischen Antrieben als auch bei zweiseitig verstellbaren Antrieben einsetzbar. Das Umschalten des Betriebsverhaltens kann jedoch auch nur für eine Seite eines zweiseitig verstellbaren hydrostatischen Antriebs vorgesehen werden. Bevorzugt sind jedoch beide Seiten eines zweiseitig verstellbaren hydrostatischen Antriebs von lastweich auf laststeif und umgekehrt schaltbar. Dabei sind in einer bevorzugten Ausführungsform die beiden Seiten individuell schaltbar, so dass, beispielsweise in einem Schubbetrieb des hydrostatischen Antriebs, – wenn die Aktivseite der Servoverstellung zur Passivseite wird und umgekehrt – der erhöhte Servodruck der im Schubbetrieb aktiven Seite der Servoverstellung nicht auf die aktive, von einem Aktuator belastete Stirnseite des Steuerkolbens der Steuereinheit geleitet wird. Ein zur Verfügung stehendes Abstützdrehmoment des Antriebsmotors kann so zum Bremsen des hydrostatischen Antriebs verwendet werden. Ebenfalls kann so bei einem zweiseitigen, separat verstellbaren hydrostatischen Antrieb eine Seite der Steuervorrichtung lastabhängig und die andere Seite laststeif geschaltet werden, z. B. auf der ersten Seite lastweich für Bergauffahrt und auf der zweiten Seite laststeif für Bergabfahrt in dieselbe Fahrrichtung. Selbstredend soll diese Funktionalität auch bei Änderung der Antriebsrichtung erhalten bleiben. Daher sind beide Seiten bevorzugt individuell schaltbar. Vom Erfindungsgedanken ist weiter eine gleichzeitige Umschaltung beider Seiten, von einer Betriebsweise in die andere, ebenfalls umfasst.
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In einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgedankens weist eine einseitig verstellbare Hydraulikmaschine eine hydrostatische Verstellvorrichtung auf, mit der das Förder- oder Schluckvolumen der Hydraulikmaschine verstellt werden kann. Gleichzeitig wird das eingestellte Förder- oder Schluckvolumen über eine Positionsrückführeinrichtung auf den Steuerschieber der Steuereinheit der Hydraulikmaschine zurückgemeldet, was bevorzugt mechanisch erfolgt. Zum Einstellen eines Förder- bzw. Schluckvolumens wird der Steuerschieber bevorzugt durch einen Proportionalmagneten zunächst aus seiner Ausgangsstellung ausgelenkt und gibt einen Querschnitt eines Einlasskanals am Steuerzylinder frei, an dem Steuerdruck ansteht. Gleichzeitig öffnet der Steuerschieber einen Querschnitt zu einer Verbindungsleitung zur Servoverstellung. Durch die Druckerhöhung in einem Servozylinder der Servoverstellung verschiebt sich der zugeordnete Servokolben. Mit Verschiebung des Servokolbens wird ein Verstellelement, z. B. eine Schrägscheibe einer Axialkolbenmaschine, ausgelenkt. Dadurch verändert sich das Förder-/Schluckvolumen der Hydraulikmaschine. Über die Positionsrückführungseinrichtung wird der Steuerkolben bzw. Steuerschieber wieder in seine Ausgangslage zurück verbracht, wobei der am Proportionalmagneten (Aktuator) anlegte Strom beibehalten wird. Die Kräfte, die am Steuerkolben durch den Aktuator auf der einen Seite (Aktivseite) und der Positionsrückführungseinrichtung auf der anderen Seite (Passivseite) wirken, sind bei konstanter Betriebsweise der Hydraulikmaschine im Gleichgewicht – z. B. bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit in der Ebene.
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Ändern sich die Umgebungsparameter, weil beispielsweise eine Steigung zu befahren ist, steigt der Druck im Servoraum, aufgrund des steigenden Arbeitsdrucks der Hydraulikmaschine. Durch die Rückführung des Druckes im Servoraum auf die passive Seite des Steuerkolbens, die dem Aktuator gegenüberliegt, wird das zuvor geschilderte Kräftegleichgewicht gestört, da der auf die passive Stirnseite des Steuerkolbens rückgeführte Servodruck den Steuerkolben gegen die Aktuatorkraft verschiebt. In diesem Beispiel wird dadurch in der Steuereinheit der Öffnungsquerschnitt zur Verbindungsleitung der Servoverstellung verringert, wodurch der Druck im Servoraum sinkt und der Servokolben in Richtung Verkleinerung des Servoraumes verschoben werden kann. Gleichzeitig wird die Ausschwenkung, d. h. das Förder-/Schluckvolumen der Hydraulikmaschine angepasst – bei Hydraulikpumpen verringert und bei Hydraulikmotoren vergrößert. Die (Gegen-)Kraft aus der Positionsrückführeinrichtung am Steuerkolben gegen die Aktuatorkraft sinkt, bis wieder ein (neues) Kräftegleichgewicht am Steuerkolben herrscht. Diesen lastbedingten Einfluss geänderter Umgebungsparameter kann die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung wahlweise zulassen oder verhindern, in dem die Steuerleitung, mit der der Servodruck auf die passive Stirnseite des Steuerkolbens geleitet wird, erfindungsgemäß geöffnet (lastweiche Betriebsart) oder geschlossen (laststeife Betriebsart) werden kann. Vom Erfindungsgedanken ist dabei auch eine teilweise geöffnete Steuerleitung umfasst, womit je nach Öffnungsgrad der Steuerleitung die Empfindlichkeit bzw. die Lastfühligkeit einstellbar ist. Dabei gilt, dass eine Lastabhängigkeit eines hydrostatischen Antriebs umso stärker ausgebildet ist je stärker der rückgeführte Servodruck auf eine (passive) Stirnseite des Steuerkolben wirken kann.
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Analog zu der zuvor beschriebenen Umsetzung des Erfindungsgedankens für eine einseitig verstellbare Hydraulikmaschine findet die Erfindung gleichermaßen für zweiseitig verstellbare Hydraulikmaschinen Anwendung. Hierbei kann für jede Seite einzeln eine Vorrichtung zum Schließen und Öffnen der jeweiligen Steuerleitungen angeordnet werden. In vielen Anwendungen, insbesondere in Fahrantrieben, bei denen eine Vorwärtsfahrt andere Betriebsparameter erfordert wie eine Rückwärtsfahrt, wird man zweiseitig verstellbare Hydraulikmaschinen mit jeweils einer Absperrung je Steuerleitung vorsehen. Analoges gilt für alle vom Erfindungsgedanken umfassten hydrostatischen Antriebe, wie beispielsweise Antriebe für das Heben und Senken von Lasten oder der Drehantrieb eines Baggers oder der Schaufelantrieb von Erdbewegungsmaschinen.
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Das Schließen und Öffnen der Steuerleitung wird in einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise von einem 2-2-Lastverhalten-Wegeventil bewerkstelligt. Zur Betätigung des Lastverhalten-Wegeventils kann ein separater Aktuator bzw. eine Ventilbetätigungsvorrichtung vorgesehen sein, der beispielsweise in Form eines Proportionalmagneten durch das Anlegen eines elektrischen Stroms das Wegeventil schaltet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist für jede Steuerleitung ein separates 2-2-Wegeventil vorgesehen. Mit einer solchen Anordnung können beide Förderrichtungen unabhängig voneinander lastweich bzw. laststeif geschaltet werden. Weiter bevorzugt kann das Lastverhalten-Ventil als reines Umschaltventil ausgebildet sein, das von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführbar ist. Noch weiter bevorzugt kann das Lastverhalten-Ventil als Regelventil oder Proportionalventil ausgebildet sein, das variabel auch in Schaltpositionen verbringbar ist, in denen ein Durchlass für Hydraulikflüssigkeit in der Steuerleitung nur teilweise geöffnet oder geschlossen ist. Dabei kann das Lastverhalten-Ventil bspw. kontinuierlich von einem vollständig geschlossenen in einen vollständig offenen Zustand überführt werden, wodurch die Stärke der Lastweichheit bzw. der Laststeifheit der Hydraulikmaschine einstellbar ist. Bevorzugt wird hierbei ein sich proportional verhaltendes Lastverhalten-Ventil von einem Proportionalmagneten als Aktuator angesteuert, der bspw. einen Ventilschieber gegen eine Ventilfeder verschiebt und so mit zunehmender Aktuatorkraft den Durchlass für Hydraulikflüssigkeit immer weiter verschließt, bis das Lastverhalten-Ventilvollständig geschlossen ist, oder immer weiter öffnet, bis das Lastverhalten-Ventil vollständig geöffnet ist. Analoges gilt bei Abnahme der Aktuatorkraft.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Lastverhalten-Ventil, bzw. sind die Lastverhalten-Ventile zum Öffnen und Schließen der Steuerleitung, bzw. der Steuerleitungen, in die jeweilige Steuerkolbenseite integriert. Dabei wird die Steuerleitung auf der jeweiligen Steuerkolbenseite bspw. durch eine radiale Bohrung in Fluidverbindung einer in axialer Richtung liegenden Durchgangsbohrung im Steuerschieber realisiert. In der Durchgangsbohrung ist dann bspw. ein Ventilschieber für das Öffnen und Schließen der radialen Bohrung angeordnet. Dabei ist der Ventilschieber von dem jeweiligen Aktuator, der auf die entsprechende Steuerkolbenstirnfäche wirkt, betätigbar. Bevorzugt ist der Ventilschieber für das Schließen bzw. Öffnen der Steuerleitung, d. h. der radialen Bohrung so angeordnet, dass bei Betätigen des Aktuators zuerst die Steuerleitung durch den Ventilschieber geöffnet bzw. geschlossen wird und erst bei Erreichen eines Anschlags des Ventilschiebers am Steuerkolben oder des Aktuators an einem Anschlag oder einer Schulter des Steuerkolbens wird der Steuerkolben durch den Aktuator in seiner Position verschoben. Damit wird erreicht, dass die passive Steuerkolbenseite je nach gewünschter Betriebsweise des hydrostatischen Antriebs vom dort angeordneten Aktuator laststeif bzw. lastweich geschaltet werden kann. Wie eingangs erläutert, wird, im Falle eines krafterzeugenden hydrostatischen Antriebs, der Druck von der aktiven Seite der Servoverstellung über die Steuerleitung auf die passive Stirnseite des Steuerkolbens geleitet. Mit dem auf der passiven Seite des Steuerkolbens angeordneten Aktuator, der an der Steuerung der Hydraulikmaschine nicht beteiligt ist, kann somit das gewünschte Lastverhalten geschaltet bzw. in seiner Empfindlichkeit eingestellt werden. Dieser auf der passiven Seite des Steuerkolbens angeordnete Aktuator benötigt dazu nur eine geringe Kraft, um den Ventilschieber des beispielsweise in den Servokolben integrierten 2-2-Lastverhalten-Wegeventils gegen eine Rückstellfederkraft einer vorgespannten Lastverhalten-Ventilfeder zu bewegen.
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Bevorzugt ist das Lastverhalten-Ventil in der Steuerleitung derart in den Steuerkolben integriert, dass der Aktuator, der die Hydraulikmaschine aktiv verstellt, das Lastverhalten-Wegeventil in eine Stellung verbringt, in der die Steuerleitung geschlossen ist. Da bevorzugt die Seite der Steuereinrichtung, auf der der inaktive Aktuator angeordnet ist, mit der aktiven Seite der Servoverstellung verbunden ist, kann über den nicht an der Verstellung der Hydraulikmaschine beteiligten Aktuator das Lastverhalten der Hydraulikmaschine, d. h. ob laststeif oder lastweich, von diesem Aktuator geschaltet, bzw. die Höhe der lastweichen Wirkung eingestellt werden, ohne auf die vorgewählte Leistungseinstellung des hydrostatischen Antriebs Einfluss zu nehmen. Analoges gilt für einseitig verstellbare Hydraulikmaschinen, deren Förder- bzw. Schluckvolumen beispielsweise durch einen elektrisch ansteuerbaren Proportionalmagneten einstellbar ist. Hierbei ist das Lastverhalten bspw. durch einen weiteren Proportionalmagneten, der in seiner Druckkraft wesentlich schwächer ausgestaltet sein kann, einstellbar bzw. schaltbar.
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Weiter bevorzugt ist in der Steuerleitung ein Abzweig vorgesehen, der das über die Steuerleitung zurückgeführte Hydraulikfluid zu einem Hydraulikfluidsammelbereich ableitet. Über eine in dieser Ableitung bzw. Abzweig angeordnete Staudruckblende wird der Druck aufgestaut, damit der auf die Steuerkolbenstirnseite wirkende Druck ausreichend hoch ist, um beispielsweise das gewünschte Lastverhalten des hydrostatischen Antriebs zu bewirken. Zusätzlich zu dieser Staudruckblende kann zur Reduzierung des Servodrucks, welcher in der zwischen Steuerzylinder und Servozylinder angeordneten Verbindungsleitung herrscht, eine Blende in der Steuerleitung vorgesehen werden, damit der rückgeführte Servodruck, der auf die passive Stirnseite des Steuerkolbens wirkt, nicht zu hoch ist, bzw. nicht zu viel Hydraulikflüssigkeit über die Steuerleitung dem Hydraulikfluidsammelbereich zugeführt wird. Geeigneter Weise wird man für die jeweilige Leistungsklasse bzw. den vorgesehenen Einsatz der Hydraulikmaschine eine hierfür geeignete Abstimmung der Staudruckblende, mit ggf. druckabhängigen variablen Querschnitt, als auch eine einstellbare Drossel bzw. Blende in der Steuerleitung vorsehen, um eine optimale Betriebsweise der Hydraulikmaschine zu erreichen. Geeigneter Weise wird man dabei sowohl die Staudruckblende im Abzweig, als auch die Drosselblende in der Steuerleitung einstellbar wählen, um so einen größeren Einsatzbereich für die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung für eine Hydraulikmaschine abdecken zu können. Bevorzugt sind diese Drosseln bzw. Blenden temperaturunabhängig, d. h. ihr Widerstand bleibt bei wechselnden Temperaturen konstant.
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Zweigt man von der Steuerleitung eine Leitung zu einem Hydraulikfluidsammelbereich, beispielsweise zu einem Hydraulikfluidtank ab, so ist in diesem Abzweig eine Staudruckblende, vorzusehen, damit nicht zu viel Hydraulikflüssigkeit aus den Servoräumen in den Tank abgeleitet, bzw. ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Hydraulikfluidsammelbereich und Servoräumen hergestellt wird. Eine Drosselblende zur Druckreduzierung kann hierzu sowohl stromaufwärts vor dem Lastverhalten-Ventil als auch stromabwärts nach dem Lastverhalteventil oder nach dem Abzweig in der Steuerleitung angeordnet sein.
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Auf die zuvor angesprochenen Blenden bzw. Drosseln kann jedoch auch gänzlich verzichtet werden, und der Druck aus dem aktiven Servoraum direkt auf die passive Seite des Steuerkolbens zurückgeführt werden. Hierbei ist zu beachten, dass die dann wirksame Fläche für ein Anpassen des Lastverhaltens in seiner Größe entsprechend dimensioniert ist. Sobald jedoch ein Abzweig mit einer Ableitung zu einem Hydraulikfluidsammelbereich vorgesehen ist, damit Hydraulikfluid von dem aktiven Servoraum abgeführt werden kann, ist in dieser Ableitung eine Staudruckblende zur Vermeidung eines hydraulischen Kurzschlusses ebenfalls vorzusehen. Auf die Drosselblende in der Steuerleitung kann in diesem Fall je nach Auslegung der Steuerleitung verzichtet werden, bzw. eine derartige einstellbare Blende kann vom Steuerschieber im Zusammenspiel mit dem Ventilschieber des Lastverhaltenventils übernommen werden.
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Für die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ist es dabei unerheblich, ob der zum Einsatz kommende Steuerkolben mit seinen Steuerkanten eine positive oder negative Überdeckung mit den Steuerkanten des Steuerzylinders zeigt. Genauso ist es für die erfindungsgemäße Verstelleinheit unerheblich, ob die mit der erfindungsgemäßen Verstelleinheit zu verstellende Hydraulikmaschine in einem offenen oder geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreis betrieben wird. Genauso ist es für die erfindungsgemäße Verstelleinheit unerheblich, ob diese in einer Hydraulikpumpe, Hydraulikmotor oder sonstigen hydrostatischen Antrieb zum Einsatz kommt. Durch die besonders bevorzugte integrierte Ausführung des Lastverhaltenventils innerhalb des Steuerkolbens sind bereits bestehende Verstelleinheiten erfindungsgemäß nachrüstbar, bzw. umrüstbar. In vielen Fällen ist hierbei lediglich der Steuerkolben gegen einen Steuerkolben mit darin aufgenommenen Lastverhaltenventilen auszutauschen.
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Im Zuge der obigen Erfindungsbeschreibung wurde davon ausgegangen, dass der Steuerkolben über Proportionalmagnete druckkraftbeaufschlagt bewegt wird, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Vom Erfindungsgedanken sind alle anderen Betätigungsvorrichtungen für Steuerkolben, die im Stand der Technik bekannt sind, umfasst.
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Die Erfindung ermöglicht es, mit nur einer hydrostatischen Verstelleinheit beliebig zwischen einem lastweichen und laststeifen Betrieb zu wechseln bzw. seine Lastweichheit bedarfsgerecht, bevorzugt stufenlos einzustellen. Dazu sind in einer bevorzugten Ausführungsform keine zusätzlichen Aktuatoren erforderlich und es kann weitestgehend auf Sensorik zur Positionserfassung oder zur Bestimmung des Betriebsdrucks verzichtet werden. Weiter bevorzugt kann Lastabhängigkeit im Fahrbetrieb und gleichzeitig Lastunabhängigkeit im Brems- bzw. Schub- bzw. Verzögerungsbetrieb erreicht werden. Zudem kann die Lastabhängigkeit in beide Betriebsrichtungen unterschiedlich ausgelegt werden. Die erfindungsgemäße Verstelleinheit bedient sich bevorzugt in beiden Betriebsweisen einer üblichen mechanischen Rückführkette, einschließlich einer Rückführfeder, zur proportionalen Verstellung des Förder- bzw. Schluckvolumens der Hydraulikmaschine. Ein weiterer Effekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das automatische Rückschwenken der Pumpe bei einem Bauteilausfall der mechanischen Rückführkette. Ein weiterer Vorzug der Erfindung besteht darin, dass mit der hydrostatischen Verstelleinrichtung eine Vielfalt von Hydromaschinen unterschiedlicher Fördervolumina abgedeckt werden kann, wobei, z. B. für alle Modelle einer Hydromaschinen-Baureihe, ein und dieselbe Verstelleinrichtung verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind und den Erfindungsgedanken nicht einschränken, näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Verstelleinrichtung nach der Erfindung in einer schematischen Darstellung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Verstelleinrichtung nach der Erfindung in einer schematischen Darstellung,
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3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 2,
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4 eine Detailansicht einer Steuereinheit nach der Erfindung in einem ersten Betriebszustand im Schnitt,
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5 eine Detailansicht einer Steuereinheit nach der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand im Schnitt.
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In 1 ist eine Hydraulikpumpe beispielhaft für eine Hydraulikmaschine 1 mit einer hydrostatischen Verstelleinrichtung 8 nach der Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Ansicht dargestellt, wobei die Strich-Punkt-Linie die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 8 symbolisiert. Die rein beispielhaft und schematisch dargestellte Hydraulikmaschine 1 weist eine Verstellpumpe 2 mit einem Auslass 3 und einem Einlass 4 auf, die über einen hydraulischen Kreislauf mit einem nicht gezeigten Verbraucher verbunden sind. Die Verstellpumpe 2 fördert in diesem vereinfachten Beispiel nur in eine Richtung und ist in ihrer Fördermenge über eine nicht gezeigte Steuerung, welche auf die hydrostatische Verstelleinrichtung 8 einwirkt, steuerbar. Die Verstellung der Fördermenge erfolgt beispielsweise bei einer Axialkolbenmaschine mittels einer Schrägscheibe oder Schrägachse als Verstellelement 41 über eine Änderung der Winkelposition der Schrägscheibe oder Schrägachse. Die Verstellpumpe 2 wird von einem nicht gezeigten Antrieb, bevorzugt einem Verbrennungs- oder Elektromotor, über die Antriebswelle 6 angetrieben. Die Antriebswelle 6 treibt auch eine Speisepumpe 7 an, welche die Verstelleinrichtung 8 über eine Speiseleitung 28 in einem offenen Kreislauf mit Hydraulikfluid unter Steuerdruck versorgt. Die Speisepumpe 7 bezieht das Druckfluid aus einem Hydraulikfluidsammelbereich, bspw. aus einem Tank 27 der Hydraulikmaschine 1, in welchem üblicherweise Ableitungsdruck herrscht.
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In 1 und in sämtlichen weiteren Figuren ist mit „Tank 27” generell ein Hydraulikfluidsammelbereich der Hydraulikmaschine 1 symbolisiert, unabhängig davon, wie dieser im Einzelnen beschaffen ist und wie genau die verschiedenen Leitungswege für das Druckfluid zu ihm geführt sind. Dabei kann der Tank 27 auch ein Teilvolumen des Gehäuses der Hydraulikmaschine 1 einnehmen, wobei das Druckniveau im Gehäuse häufig nicht dem Umgebungsdruck entspricht und oftmals darüber liegt. Die Speisepumpe 7 fördert Hydraulikflüssigkeit über eine hydraulische Speiseleitung 28 zur Verstelleinrichtung 8 der Verstellpumpe 2.
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Die erfindungsgemäße hydraulische Verstelleinrichtung
8 weist eine Servoverstelleinheit
9 und eine Steuereinheit
10 auf, die über eine hydraulische Verbindungsleitung
16 miteinander verbunden sind. Die Steuereinheit
10 besitzt einen Steuerzylinder
17, in welchem ein Steuerkolben
18 längsverschieblich gelagert ist. An einer ersten Stirnseite
19 des Steuerkolbens
18 greift ein Aktuator
21 an, der beispielsweise als Proportionalmagnet
61 ausgebildet ist und von der nicht gezeigten beispielsweise elektrischen Steuerung für die Verstelleinrichtung
8 mit einem Strom vorgewählter Höhe angesteuert wird. Auf der der ersten Stirnseite
19 gegenüber liegenden zweiten Stirnseite
20 des Steuerkolbens bzw. Steuerschiebers
18 ist ein Anschluss
23 für Druckfluid aus einer Steuerleitung
32 vorgesehen, die von der Verbindungsleitung
16 zur zweiten Stirnseite
20 des Steuerkolbens
18 führt. An der zweiten Stirnseite
20 des Steuerkolbens
18 greift weiter, stellvertretend für eine herkömmliche Rückführvorrichtung (bspw. gemäß
DE 10 2004 033 376 B3 ), eine Rückführfeder
22 an, welche der Erzeugung einer Rückstellkraft für den Steuerschieber
18 dient. Die Rückstellkraft der Rückführfeder
22 ist dabei der Kraft des Aktuators
21 entgegengerichtet und hält der Aktuatorkraft in der Neutralstellung bzw. Ausgangsstellung des Steuerschiebers
18 im Steuerzylinder
17 die Waage.
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Der Steuerzylinder 17 weist weiter einen Einlass 24 für das über die Speiseleitung 28 herangeführte Druckfluid unter Steuerdruck auf. Weiter weist der Steuerzylinder 17 einen Servoanschluss 25 für die Verbindungsleitung 16 zur Servoverstelleinheit 9 und einen Auslass 26 auf, der mit einer Leitung zum Hydraulikfluidsammelbereich 27 führt. Der Steuerzylinder 17 ist mit mehreren Kanälen versehen, welche gesteuert über Steuerkanten des Steuerzylinders 17 und über Steuerkanten des Steuerkolbens 18 – je nach Stellung des Steuerkolbens 18 im Steuerzylinder 17 – das von der Speisepumpe 7 unter Druck gesetzte Hydraulikfluid über die Verbindungsleitung 16 zum Servoraum 13 der Servoverstelleinheit 9 leiten oder die Ableitung von Hydraulikfluid aus dem Servoraum 13 über den Auslass 26 zum Tank 27 freigeben. Der in 1 mittlere Bereich des Steuerkolbens 18 zeigt beispielhaft eine negative Überdeckung der Steuerkanten des Steuerkolbens 18 mit den Steuerkanten des Steuerzylinders 17, was in 1 durch Blendensymbole angedeutet ist.
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Die Servoverstelleinheit 9 weist einen Servozylinder 11 auf, in dem ein Servokolben 12 unter Bildung eines Servoraumes 13 längsverschieblich angeordnet ist. Die dem Servoraum 13 abgewandte Seite des Servokolbens 12 ist mit einem Übertragungsglied 14 versehen, welches mit einem Verstellelement 41 der Verstellpumpe 2 gekoppelt ist. Eine Servofeder 15 wirkt dem Druck des Hydraulikfluids im Servoraum 13 entgegen. Der Servoraum 13 des Servozylinders 11 wird über die Verbindungsleitung 16, die über den Servoanschluss 25 mit der Steuereinheit 10 verbunden ist, mit Hydraulikflüssigkeit versorgt. Die Verbindungsleitung 16 dient weiter der Abfuhr von Druckfluid aus dem Servoraum 13 in den Hydraulikflüssigkeitssammelbereich 27, bzw. in den Tank 27, nach Maßgabe der jeweiligen Stellung des Steuerkolbens 18 im Steuerzylinder 17, bzw. der Stellung der jeweiligen Steuerkanten 38, 39 (vgl. 4 und 5) zueinander.
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Von der Verbindungsleitung 16 zweigt gemäß der Erfindung eine Steuerleitung 32 ab, die über ein Lastverhalten-Ventil 30 geöffnet und geschlossen werden kann. Das Lastverhalten-Ventil 30 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel separat von der Steuereinheit 10 angeordnet und beispielhaft in Form eines 2-2-Wegeventils ausgeführt. Die Steuerleitung 32 ist mit dem auf der zweiten Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 angeordneten Anschluss 23 des Steuerzylinders 17 hydraulisch verbunden, wenn das Lastverhalten-Ventil 30 geöffnet ist. Das Lastverhalten-Ventil 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Aktuator 31 versehen, der als Ventilbetätigungsvorrichtung eingesetzt ist und das Lastverhalten-Ventil 30 gegen eine Ventilfeder 36 von der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung in eine nicht dargestellte geöffnete Stellung überführen kann. Der Aktuator 31 schiebt je nach Ansteuerung einen Ventilschieber 53 von einer ersten Stellung, in der das Lastverhalten-Ventil 30 die Steuerleitung 32 verschließt, in eine zweite Stellung, in der das Lastverhalten-Ventil 30 die Steuerleitung 32 öffnet. Dabei entspricht die in 1 gezeigte geschlossene Stellung des Lastverhalten-Ventils 30 einer laststeifen Betriebsweise der Hydraulikmaschine 1. Eine geöffnete Stellung des Lastverhalten-Ventils 30 entspricht einer lastweichen Betriebsweise der Hydraulikmaschine 1.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Steuerleitung 32 in Strömungsrichtung vor dem Lastverhalten-Ventil 30 eine Drossel 33 angeordnet, die jedoch auch in Strömungsrichtung nach dem Lastverhalten-Ventil 30 in der Steuerleitung 32 angeordnet sein kann. Ferner ist an einem Abzweig 34 eine Ableitung 37 von der Steuerleitung 32 in Strömungsrichtung nach dem Lastverhalten-Ventil 30 angeordnet, die über eine Staudruckblende 35 Hydraulikflüssigkeit zum Hydraulikflüssigkeitssammelbereich 27 der Hydraulikmaschine abführt, welcher schematisch als Tank 27 dargestellt ist. Die Strömungsrichtung in der Steuerleitung 32 entspricht im Sinne der Erfindung der Rückleitungsrichtung von Hydraulikflüssigkeit von der Verbindungsleitung 16 über das Lastverhalten-Ventil 30 zur Steuereinrichtung 10 bzw. zum Hydraulikflüssigkeitssammelbereich 27.
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In 1 ist das Lastverhalten-Ventil 30 in Strömungsrichtung vor dem Abzweig 34 angeordnet, was jedoch nur ein Ausführungsbeispiel darstellt. Eine Anordnung des Lastverhalten-Ventils 30 in Strömungsrichtung nach dem Abzweig 34 in der Steuerleitung 32 stellt eine äquivalente Ausführung dar, die besonders bei der Integration des Lastverhalten-Ventils 30 in den Steuerkolben 18 bevorzugt ist (vgl. Ausführungsbeispiele der 4 und 5). Lediglich beispielhaft und zum Zwecke der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens sind die Lastverhalten-Ventile 30 in den 1 bis 2 in den hydraulischen Ersatzschaltbildern separat von der Steuereinrichtung 10 dargestellt.
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Mit der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinrichtung 8 ist es möglich, die Hydraulikmaschine 1 nach Wunsch in zwei verschiedenen Betriebsweisen zu verwenden, laststeif oder lastweich. In einer ersten Betriebsweise ist das als Wegeventil ausgeführte Lastverhalten-Ventil 30 in Sperrstellung, was beispielsweise durch entsprechende Deaktivierung des Aktuators 31 über die Ventilfeder 36 des Lastverhalten-Ventils 30 bewirkbar ist, wie beispielhaft in 1 dargestellt. Bei inaktivem Aktuator 31 drückt die Ventilfeder 36 des Lastverhalten-Ventils 30 den Schieber 53 in die geschlossene Ventilstellung. Dies bedeutet, dass keine Hydraulikflüssigkeit über die Steuerleitung 32 auf zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 geleitet wird. Am Steuerkolben 18 greifen somit nur der Aktuator 21 und die ihm entgegenwirkende Steuerkolben-Rückführfeder 22 an. Der auf den Servokolben 12 der Servoverstelleinheit 9 wirkende Hydraulikflüssigkeitsdruck im Servoraum 13 wird somit allein durch das Zusammenspiel der vom Aktuator 21 und der Rückführfeder 22 ausgeübten Kräfte auf den Steuerkolben bestimmt. Die Höhe des Druckniveaus im Servoraum 13 der Servoverstelleinheit 9 hat jedoch auf das Kräftegleichgewicht am Steuerkolben 18 keinen nennenswerten Einfluss. In dieser Betriebsart ist die Lastabhängigkeit der Verstellpumpe 2 unterdrückt. Durch das auf den Aktuator 21 einwirkende Steuerungssignal wird die Stellung des Servokolbens 12 in der Servoverstelleinheit 9 und somit der Schwenkwinkel des Verstellelements 41 der Verstellpumpe 2 bestimmt. Eine Lastabhängigkeit der Verstellpumpe 2 ist nicht gegeben, d. h. Druckschwankungen im Servoraum 13 der Servoverstelleinheit 9, die von äußeren Lastveränderungen im Arbeitskreis der Verstellpumpe 2 herrühren, werden über die Steuerleitung 32 hydraulisch nicht auf die Steuereinheit 10 rückgeführt, da das Lastverhalten-Ventil 30 und damit die Steuerleitung 32 geschlossen ist. Das System, das in 1 gezeigt ist, ist daher in einem laststeifen Betriebszustand.
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In einer zweiten, lastweichen Betriebsweise der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verstelleinrichtung 8, ist das Lastverhalten-Ventil 30 durch Aktivierung des Aktuators 31, der den Schieber 53 gegen die Federkraft der Ventilfeder 36 in die geöffnete Stellung des Lastverhalten-Ventil 30 drückt, auf Durchlass geschaltet, wobei der maximale Durchlassquerschnitt dabei nicht notwendigerweise vollständig geöffnet sein muss. Dieser lastweiche Zustand der Hydraulikmaschine 1 ist zwar in 1 nicht dargestellt, jedoch lassen sich die folgenden Ausführungen anhand 1 leicht nachvollziehen. Bei geöffnetem Lastverhalten-Ventil 30 kann in der Verbindungsleitung 16 unter Servodruck stehendes Druckfluid über die Steuerleitung 32 auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 wirken. Beispielsweise ist der Betrag des Drucks in der Steuerleitung 32 am benachbart zur zweiten Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 angeordneten Anschluss 23 des Steuerzylinders 17, gegenüber dem Hydraulikdruck in der Verbindungsleitung 16 und dem im Servoraum 13 herrschenden Druck reduziert, da bspw. eine Drossel 33 vor oder nach dem Lastverhalten-Ventil 30 in der Steuerleitung 32 und eine Staudruckblende 35 in der Ableitung 37 angeordnet ist. Die Drossel 33 kann weiter beispielsweise in Form einer Düse oder Blende realisiert sein. Am Anschluss 23 steht somit unter Druck stehendes Hydraulikfluid aus der Steuerleitung 32 an und wirkt auf die zweite Stirnfläche 20 des Steuerkolbens 18, sodass eine Kraft erzeugt wird, die derjenigen des Steuerkolben-Aktuators 21 entgegen gerichtet ist. Die Größe dieser Kraft hängt von dem im Servoraum 13 und in der Verbindungsleitung 16 herrschenden Druck und den ggf. in der Steuerleitung 32 und in der Ableitung 37 angeordneten Blenden 33 und 35 ab. Im Allgemeinen gilt, – bei unverändertem Blendenquerschnitt der Drossel 33 – dass je höher der Druck in der Verbindungsleitung 16, d. h. je höher der Förderdruck der Verstellpumpe 2 und, desto höher der Druck am Anschluss 23 und damit die dem Aktuator 21 entgegen wirkende Kraft. Die Kraftwirkung auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 bewirkt folglich bei steigender äußerer Last auf die Hydraulikmaschine eine Rücknahme der Ausschwenkung des Verstellelements 41. Der Steuerkolben 18 wird durch die Druckkrafterhöhung auf der zweiten Steuerkolbenstirnseite 20 derart verschoben, dass eine Verringerung des Servodrucks im Servoraum 13 der Servoverstelleinheit 9 möglich ist. Bei erhöhter Belastung der Hydraulikmaschine 1 wird so die Fördermenge der Verstellpumpe 2 automatisch verringert, wobei – bei gleichbleibender Antriebsleistung an der Antriebswelle 6 – der Förderdruck am Auslass 3 steigt.
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Mit anderen Worten: Wird bei einer Lasterhöhung auf die Hydraulikmaschine 1 die Stromversorgung des Aktuators 21 und somit seine Kraft auf den Steuerkolben 18 nicht verändert, steigt zunächst mit Zunahme der äußeren Last der Förderdruck am Auslass 3 der Hydraulikmaschine 1, wodurch der Druck in der Servoverstelleinheit 9 steigt. Damit steigt auch der Druck in der Verbindungsleitung 16 sowie in der Steuerleitung 32 und damit die Druckkraft auf die zweite Steuerkolbenstirnseite 20. Durch die ansteigende Druckkraft wird im Zusammenwirken mit der Kraft der Steuerkolbenrückführfeder 22 der Steuerkolben 18 gegen die Aktuatorkraft des Aktuators 21 verschoben, sodass das Druckniveau in der zur Servoverstellung 9 führenden Verbindungsleitung 16 durch Ableitung zum Tank über den Anschluss 26 sinkt. Damit kann die Servokolben-Rückführfeder 15 den Servokolben 12 im Servozylinder 17 in Richtung Nullstellung bzw. Neutralstellung verschieben, was eine Rückschwenkung des Verstellelements 41 zur Folge hat. Das Fördervolumen der Verstellpumpe 2 sinkt. Die Druckabnahme im Servoraum 13 hat jedoch wiederum eine Druckabnahme in der Steuerleitung 32 zur Folge, wodurch die dadurch hervorgerufene Druckkraft auf die zweite Steuerkolbenstirnseite 20 sinkt und der Steuerkolben 18 vom Aktuator 21 in Richtung seiner Neutralstellung geschoben wird. In der lastweichen Betriebsweise der Hydraulikmaschine 1 mit erfindungsgemäßer Verstelleinheit 8 wird somit die Position des Steuerkolbens 18 durch die Federkraft der Positionsrückführungsfeder 22, der gleichgerichteten Druckkraft auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 und der diesen Kräften auf der ersten Stirnseite 19 des Steuerkolbens 18 entgegenwirkenden Aktuatorkraft des Aktuators 21 bestimmt.
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Die für obiges Ausführungsbeispiel geschilderten Vorgänge bei Zunahme der äußeren Last lösen analog im Fall einer Belastungsabnahme auf den Arbeitskreis der Verstellpumpe 2 eine Fördervolumenzunahme der Hydraulikmaschine aus, wenn das Lastverhalten-Ventil 30 geöffnet ist. Sinkt der Druck im Servoraum 13, so sinkt auch der Druck in der Steuerleitung 32, wodurch die Druckkraft auf die zweite Steuerkolbenstirnseite 20 sinkt und der Aktuator 21 den Steuerkolben 18 in Richtung Zunahme des Servodrucks in der Verbindungsleitung 16 bewegt, bis die Kraft der Feder 22 der Positionsrückführeinrichtung 40 zusammen mit der Druckkraft auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolben 18 der Aktuatorkraft das Gleichgewicht hält. Druckzunahme im Servoraum 13 bedeutet analog eine Verstellung des Verstellelements 41 der Verstellpumpe 2 in Richtung größeres Fördervolumen der Hydraulikmaschine. Mit der Zunahme des Servodrucks steigt auch der Hydraulikflüssigkeitsdruck in der Steuerleitung 32 und somit – bei geöffnetem Lastverhalten-Ventil 30 – die Druckkraft auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18, was diesen wieder in Richtung seiner Ausgangslage verbringt. Ein geöffnetes Lastverhalten-Ventil 30 bewirkt somit eine Anpassung des Fördervolumens der Verstellpumpe 2 sowohl bei Erhöhung der äußeren Last, beispielsweise bei beginnender Bergauffahrt, als auch bei Reduzierung der Last, beispielsweise bei beginnender Bergabfahrt.
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Speziell bei einer Bergabfahrt ist jedoch ein lastweiches Verhalten der Verstellpumpe 2 nicht erwünscht, da dann der Verzögerungseffekt der Antriebsmaschine der Verstellpumpe 2 verringert wird. Üblicherweise geht ein hydrostatischer Fahrantrieb bei Bergabfahrt in Schubbetrieb über, was bedeutet, dass der Hydraulikmotor beginnt Hydraulikflüssigkeit in Richtung Hydraulikpumpe zu fördern, welche ihrerseits nun als „Hydraulikmotor” agiert. Bei Bergabfahrt soll jedoch bevorzugt das maximal zur Verfügung stehende Abstützdrehmoment des Antriebsmotors maximal zum Verzögern genutzt werden. Der hydrostatische Antrieb soll im verzögernden Schubbetrieb kein lastweiches Verhalten zeigen, sondern laststeif sein. Laststeif heißt auch, dass das Förder- bzw. Schluckvolumen, bspw. der Hydraulikpumpe 2 in 1, die im Schubbetrieb als Hydraulikmotor agiert, nicht größer werden soll, da sich sonst bspw. die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöhen würde. Die im Schubbetrieb als Motor agierende Pumpe würde bei einer lastweichen Einstellung der erfindungsgemäßen Verstelleinheit in Richtung größeres Hubvolumen tendieren, und so dem Abstützdrehmoment des Antriebsmotors ausweichen. Jedoch ist in den meisten Anwendung ein Konstanthalten der Fahrzeuggeschwindigkeit gewollt, was nur mit einer laststeif eingestellten Verstelleinrichtung realisierbar ist. Nur dann kann sich der hydrostatischen Antriebs an der Antriebsmaschine, bspw. ein Dieselmotor, abstützen.
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Erfindungsgemäß kann ein solches, wie oben beschriebenes lastweiches Verhalten der Verstellpumpe 2, durch einfaches Schließen des Lastverhalten-Ventils 30 in ein laststeifes Betriebsverhalten der Verstellpumpe 2 überführt werden. Eine Rückkopplung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks im Servoraum 13 auf die zweite Stirnseite 20 des Steuerkolbens 18 ist dann unterbunden. Die Stellung des Steuerkolbens 18 im Steuerzylinder 17 wird allein durch die Kraft des Steueraktuators 21 und der Rückstellkraft aus der Positionsrückführung 40 bzw. der Rückführfeder 22 bestimmt. Somit hat eine Abnahme des Servodrucks im Schubbetrieb des hydrostatischen Antriebs keine Auswirkung auf die Position des Servokolbens 12 im Servozylinder 11, womit sich das mit dem Servokolben 12 verbundene Verstellelement 41 in seiner Auslenkung nicht bewegen kann. Das Förder- bzw. Schluckvolumen der Verstellpumpe 2 verbleibt auf dem eingestellten Wert.
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Der in der Steuerleitung 32 in einem lastweichen Betrieb der Hydraulikmaschine 1 anstehende Druck kann über eine Staudruckblende 35, die in der zum Tank 27 führenden Ableitung 37 angeordnet ist, bevorzugt kontrolliert bzw. einstellbar aufgestaut werden. Dieser Staudruck wirkt auf den Steuerkolben 18, egal ob der Abzweig 34 bzw. die Ableitung 37 in Strömungsrichtung nach oder vor dem Lastverhalten-Ventil 30 angeordnet ist. Damit ist in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 der Grad der Lastabhängigkeit der Hydraulikmaschine 1, bei geöffneten Lastverhalten-Ventil 30 durch die Dimensionierung der Drossel 33 und der Staudruckblende 35 einstellbar. Hierbei sollte die Drossel 33 in der Steuerleitung 32 vor dem Anschluss 23 bevorzugt einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Staudruckblende 35 in der Ableitung 37 zum Hydraulikflüssigkeitssammelbereich 27.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel 33 und/oder die Staudruckblende 35 einstellbar ausgebildet, sodass einer einsatzbedingte Lastabhängigkeit der Hydraulikmaschine 1 während des Betriebs der Hydraulikmaschine 1 einstellbar ist. So kann beispielsweise das Drehmoment mit dem sich ein im Schubbetrieb befindlicher hydrostatischer Antrieb an der Antriebsmaschine abstützt, reguliert werden, was ggf. bei leichten Gefällen bevorzugt ist, um die Geschwindigkeit des hydrostatischen Antriebs konstant zu halten, wenn das Verzögerungsdrehmoment des Antriebsmotors größer ist als das Neigungsbedingte Antriebsdrehmoment auf den hydrostatischen Antrieb. Das Abstützdrehmoment des hydrostatischen Antriebs im Schubbetrieb am Antriebsmotor nimmt ab, wenn das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 als lastweich eingestellt ist, gleichzeitig nimmt das Fördervolumen des hydrostatischen Antriebs und somit bspw. die Fahrgeschwindigkeit zu. Wird die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 8 von lastweich auf laststeif geschaltet, indem das Lastverhalten-Ventil 30 geschlossen wird, so bleibt das Abstützdrehmoment und somit das Fördervolumen auf nahezu konstantem Niveau. Ein erneutes (gesteuertes) Öffnen und anschließendes Schließen des Lastverhalten-Ventils 30 im Schubbetrieb kann zum Absenken des Abstützdrehmomentes verwendet werden, um so bspw. das automotive Verhalten eines hydrostatischen Antriebs zu steuern Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit einer lastweichen Steuerung der Verstelleinrichtung 8, die durch Öffnen der Steuerleitung 32 wählbar ist, erreicht wird, dass Belastungsänderungen an der Verstellpumpe 2 automatisch kompensiert werden. Dies äußert sich darin, dass die Leistungsaufnahme der Verstellpumpe 2 bei einer Erhöhung der Belastung durch Verringern der Fördermenge entsprechend der Förderdruckzunahme nahezu konstant gehalten wird, ohne dass eine Bedienungsperson hierauf einwirkt. So wird beispielsweise bei einer Arbeitsmaschine mit hydrostatischem Fahrantrieb, die von einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit in einer Ebene in eine Bergauffahrt wechselt, die Fahrgeschwindigkeit selbständig angepasst und so die Steigung mit verminderter Geschwindigkeit bewältigt. In dem zuvor beschriebenen Anwendungsbeispiel würde sich hingegen bei einem laststeifen Betrieb des selben hydrostatischen Antriebs (geschlossene Steuerleitung 32) ergeben, dass die durch die Steigung bedingte Druckänderung am Auslass 3 der Verstellpumpe 2 keinen Einfluss auf die Kraftbilanz und damit auf die Position des Steuerkolbens 18 im Steuerzylinder 17 hat, und das Fahrzeug mit annähernd gleicher Geschwindigkeit die Steigung befahren kann, wenn die Leistungsreserve des Antriebsmotors dies zulässt.
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Die Verstelleinrichtung 8 nach der Erfindung erlaubt es, nach Belieben oder angepasst an äußere Anforderungen, zwischen einem lastweichen und einem laststeifen Betrieb der Hydromaschine zu wählen. Hierfür ist lediglich das Lastverhalten-Ventil 30 in der Steuerleitung 32 zu öffnen oder zu schließen, was beispielsweise manuell oder über beispielsweise elektromechanische Aktuatoren erfolgen kann.
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Sämtliche in 1 verwendete Bezugszeichen werden auch in den nachfolgenden Figuren zur Bezeichnung gleicher baulicher Merkmale beibehalten.
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2 zeigt ein zweites, bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Verstelleinrichtung 8 gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Im Unterschied zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verstellpumpe 2 für zwei Förderrichtungen ausgelegt, wobei das Fördervolumen bevorzugt stufenlos einstellbar ist. Die Servoverstelleinheit 9 weist hier einen Doppel-Servokolben 12 auf, der in einem Servozylinder 11 mit zwei Servoräumen 13 gleitend geführt ist. Die beiden Servoräume 13 sind jeweils mit einer eigenen Verbindungsleitung 16 an die Steuereinheit 10 angeschlossen. Die Steuereinheit 10 weist zwei Steuerkolben 18 auf, die in zugehörigen in Steuerzylindern 17 längsverschieblich angeordnet sind. Die beiden Steuerkolben 18 sind in dieser Darstellung, die lediglich der Veranschaulichung dient, über ein Verbindungselement 29 starr gekoppelt. In der Praxis können die beiden Steuerkolben 18 als einteiliges Bauteil vereint, in einem ebenfalls einstückigen Steuerzylinder 17 gelagert sein, vgl. hierzu die 4 und 5. Jede der außenliegenden Stirnseiten 19, 20 der beiden Steuerkolben 18 kann von einem zugeordneten Aktuator 21 mit Kraft beaufschlagt werden, wobei die beiden Aktuatoren 21 in entgegengesetzte Richtungen wirken. Jede der beiden Seiten des Steuerzylinders 17 weist – wie schon beim Ausführungsbeispiel nach 1 beschrieben – einen Einlass 24 für das von der Speisepumpe 7 über die Speiseleitung 28 zur Verfügung gestellte, unter Druck stehende Hydraulikfluid auf. Des Weiteren führt je eine Verbindungsleitung 16 vom Servoanschluss 25 der jeweiligen Seite des Steuerzylinders 17 zu je einem der beiden Servoräume 13 der Servoverstelleinheit 9. Von jeder Verbindungsleitung 16 zweigt je eine Steuerleitung 32 ab, die, entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus 1, über eine optional angeordnete Drossel 33 zu einem gemeinsamen Lastverhalten-Ventil 30 führt. Von dort aus führen die beiden Steuerleitungen 32 zu je einem Anschluss 23, die benachbart zu den beiden außen angeordneten Stirnseiten 19, 20 der Steuerkolben 18 jeweils an einer der Seiten des Steuerzylinders 17 angeordnet sind. Das für beide Steuerleitungen 32 gemeinsame Lastverhalten-Ventil 30 ist mit zwei Durchgängen und zwei Sperren in der Art eines 4-2-Wegeventils ausgebildet. Die beiden Steuerleitungen 32 können so gleichzeitig geöffnet oder geschlossen werden, sodass für beide Förderrichtungen der Hydraulikmaschine 1 das gleiche laststeife oder lastweiche Betriebsverhalten mit nur einem Lastverhalten-Ventil 30, beispielsweise über einen Lastverhalten-Aktuator 31, geschaltet werden kann.
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Eine Positionsrückführeinrichtung 40, die in Verbindung mit zwei Rückführfedern 22 auf den Steuerkolben 18 einwirkt, verbringt nach einer Verschiebung des Steuerkolbens 18 durch einen der beiden Aktuatoren 21 den Steuerkolben 18 in seine Ausgangsstellung, wenn die gewünschte Auslenkung an der Verstellpumpe 2 erreicht ist. Die Positionsrückführung 40 ist auch dafür vorgesehen, die Fördermenge der Verstellpumpe 2 auf den Wert „Null” zu stellen, wenn die nicht dargestellte Steuerung der Hydraulikmaschine 1 eine Neutralstellung vorgibt, in der die beiden Aktuatoren 21 inaktiv bzw. stromlos sind. Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 gemäß 2 entspricht dabei analog dem Funktionsprinzip, wie zu 1 geschildert, mit der Vorgabe, dass die Hydraulikmaschine 1 in zwei Richtung auslenkbar ist und so beispielsweise ein umschaltbares lastweiches oder laststeifes Verhalten für beide Fahrrichtungen eines hydrostatischen Antriebs realisierbar ist.
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3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Verstelleinrichtung 8 nach der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Gezeigt ist eine konstruktive Abwandlung der in 2 dargestellten Verstelleinrichtung 8 einer Hydraulikmaschine 1 mit zwei Förderrichtungen. Bei dieser Bauform ist jedem der beiden Seiten des Steuerkolbens 18 ein eigenes Lastverhalten-Ventil 30 zugeordnet, das bspw. in den jeweiligen Enden des Steuerkolbens 18 integriert ist und das mit den Steuerkolben-Aktuatoren 21 betätigbar ist. Die Aktuatoren 21 greifen dabei an den ausgelenkten Schiebern 53 der Lastverhalten-Ventile 30 an und betätigen bei ihrer Aktivierung zunächst das Lastverhalten-Ventil 30 von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung, bevor der zugehörige Steuerkolben 18 bewegt wird, beispielsweise durch Aufsetzen des Schiebers 53 auf die zugehörige Stirnfläche 19 bzw. 20 des Steuerkolbens. Eine Ausführung bei der ein Stößel 62 eines Proportionalmagneten 61 nach Schließen des Lastverhalten-Ventils 30 auf einen am Steuerkolben 18 ausgebildeten Deckel 59 anschlägt und über diesen der Steuerkolben 18 bewegt wird, ist dabei ebenfalls, wie andere konstruktive Ausführungen zur mittelbaren Bewegung des Steuerkolbens 18, vom Erfindungsgedanken umfasst (vgl. hierzu auch 4 & 5). Die übrigen Einzelheiten und die Funktionsweise des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung entsprechen derjenigen anhand der 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verstelleinheit 8 einer Hydraulikmaschine 1.
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Mit der Anordnung nach 3 wird erreicht, dass die aktive Seite der Steuereinheit 10 – diejenige Seite, auf der der Aktuator 21 den Steuerkolben 18 zur Vorgabe einer Verstellung der Hydraulikmaschine 1 verschiebt – zur kontrollierten Positionierung des Steuerkolbens 18 laststeif geschaltet ist und auf der gegenüberliegenden, passiven Seite der Steuereinheit 10 durch geeignete Ansteuerung des dortigen Aktuators 21 ein lastweiches oder ein laststeifes Verhalten der Hydraulikmaschine bedarfgerecht eingestellt werden kann. Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 ist dabei so aufgebaut, dass diejenige Verbindungsleitung 16, die von der passiven Seite der Steuereinheit 10 zur Servoverstellung 9 führt, die Servoverstellung 9 aktiv mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit aus der Speiseleitung 28 versorgt, je nachdem, wie stark der Aktuator 21 auf der aktiven Seite der Steuereinheit 10 den Steuerkolben 18 ausgelenkt. Bleibt der Aktuator 21 auf der passiven Seite der Steuereinheit 10 stromlos, also inaktiv, so ist weist die in 3 gezeigte Hydraulikmaschine 1 auf dieser Seite ein lastweiches Betriebsverhalten auf, da das Lastverhalten-Ventil 30 auf der passiven Seite der Steuereinheit 10 in der geöffneten Stellung verbleibt. Vom Erfindungsgedanken ist jedoch auch eine geschlossene Stellung des Lastverhalten-Ventils 30 bei inaktiven Aktuator 21 auf der passiven Seite der Steuereinheit 10 umfasst, womit die Hydraulikmaschine 1 dann laststeif eingestellt wäre.
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Der Aktuator 21 auf der passiven Seite der Steuereinheit 10 kann, falls nur eine Änderung des Betriebsverhaltens der Hydraulikmaschine 1 erfolgen soll, den Schieber 53 des ihm zugeordneten Lastverhalten-Ventils 30 nur soweit, ggf. mit geringer Kraft verschieben, dass das Lastverhalten-Ventil 30 in seine geschlossene Stellung (laststeifer Betrieb der Hydraulikmaschine 1) überführt wird und der Steuerkolben 18 dadurch in seiner relativen Position im Steuerzylinder 17 im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Mit der in 3 dargestellten Ausführungsform wird somit erreicht, dass die erfindungsgemäße Umschaltbarkeit der Betriebsweise einer Hydraulikmaschine 1 mit den gleichen Aktuatoren 21 vollzogen werden kann, die ohnehin schon für die Steuerung der Hydraulikmaschine 1 vorgesehen sind. Weitere Aktuatoren sind nicht notwendig, um den Erfindungsgedanken umzusetzen.
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Eine beispielhafte konstruktive Ausbildung einer bevorzugten Bauform gemäß 3 ist in den 4 und 5 dargestellt. In 4 ist eine Detailansicht einer Steuereinheit 10 nach dem in 3 vorgestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand im Schnitt gezeigt. Bezüglich der generellen Einzelheiten wird auf die Erläuterungen zu 3 verwiesen. Die Steuereinheit 10 ist Teil einer beispielsweise stufenlos verstellbaren Hydraulikmaschine 1, die Druckfluid in einem geschlossenen Kreislauf in zwei Richtungen fördern kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in dieser und der 5 nicht sämtliche Einzelheiten mit Bezugszeichen versehen. Es sind im Hinblick auf den weitgehend symmetrischen Aufbau z. T. manche Bezugszeichen nur einmal eingetragen, obwohl zwei gleichartige Elemente vorhanden sind. Es sind jedoch alle Bezugszeichen eingefügt, die zur Erläuterung der als notwendig erachteten Einzelheiten nötig sind, wobei Bezugszeichen für Bauteile, die bereits in den 1 bis 3 beschrieben wurden, beibehalten wurden. Es versteht sich, dass der Fachmann erkennt, dass z. B. mit „Steuerkante 38” sämtliche Steuerkanten des Steuerzylinders 17 gemeint sind, obwohl in den Figuren nur einige von ihnen mit dem Bezugszeichen „38” hervorgehoben sind. Analoges gilt für die Steuerkanten 39 des Steuerkolbens 18.
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In dem Gehäuse 44 der hydrostatischen Verstelleinrichtung 8 ist zwischen zwei Seitenflächen 45 eine durchgehende Querbohrung 46 angeordnet, welche den Steuerzylinder 17 bildet. Die Querbohrung 46 weist mehrere umlaufende Nuten auf, deren seitliche, axiale Begrenzungen Steuerkanten 38 bilden und die mit den verschiedenen Druckbereichen der Hydraulikmaschine 1 hydraulisch verbunden sind. Wie aus der 4 ersichtlich ist, sind mehrere Steuerkanten 38 vorhanden. Am jeweils äußeren Ende des Steuerzylinders 17 münden die Einlässe 24 der Einlasskanäle 48 in den Steuerzylinder 17. Über die Einlässe 24 kann die Hydraulikflüssigkeit unter Speisedruck von der Speiseleitung 28 zur Steuereinheit 10 geleitet werden. Die hierzu benachbarten Servoanschlüsse 25 für die Verbindungsleitungen 16 können das von der Speiseleitung 28 zugeführte Druckfluid an die Servoverstelleinheit 9 weiter leiten, wenn die relative Stellung der Steuerkanten 38 des Steuerzylinders 17 und die Steuerkanten 39 des Steuerkolben 18 dies zulassen.
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Im Steuerzylinder 17 sind zwei Steuerkolben 18 längsverschieblich angeordnet, die hierzu einem einteiligen Bauteil vereint sind. Das hierdurch gebildete symmetrische Bauteil, im folgenden Steuerkolben 18 genannt, ist in einem mittleren, eingeschnürten Mittenbereich 49 mit einem Hebel 50 gekoppelt, der ein Teil einer Positionsrückführeinrichtung 40 ist. Über eine Querbohrung 46 im Steuerzylinder 17 sind die Auslässe 26 des Steuerzylinders 17 ist mit dem Auslassdruckbereich, d. h. mit dem Hydraulikflüssigkeitssammelbereich 27 der Hydraulikmaschine 1 hydraulisch verbunden, wenn dies aufgrund der Stellung des Steuerkolbens 18 im Steuerzylinder 17 bzw. die Stellung der Steuerkanten 38, 39 möglich ist. Die Wirkungsweise einer derartigen Steuerung, insbesondere das Zusammenwirken der Steuerkanten 38 des Steuerzylinders 17 mit den Steuerkanten 39 des Steuerkolbens 18 ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb hier nicht weiter erläutert.
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Der symmetrisch gestaltete Steuerkolben 18 ist auf jeder Seite mit einer Sacklochbohrung 51 versehen, in welcher je ein Schieber 53 eines Lastverhalten-Ventils 30 längsverschieblich gelagert ist. Die Sacklochbohrung 51, welche beispielsweise abgestuft ausgebildet ist, reicht annähernd bis zum Mittenbereich 49. Sie weist an ihrem dem Mittenbereich 49 angrenzenden Bereich eine in den Mittenbereich 49 mündende Ableitungsbohrung 52 auf, die Teil des Abzweigs 34 ist. Die Ableitungsbohrung 52 ist bevorzugt so ausgebildet, dass diese gleichzeitig die Funktion der Staudruckblende 35 ausübt. Über diese Staudruckblende 35 kann Druckfluid aus dem Lastverhalten-Ventil 30 über den Mittenbereich 49 zu einem Hydraulikflüssigkeitssammelbereich, z. B. zu einem nicht gezeigten Tank 27 fließen.
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Der Schieber 53 des Lastverhalten-Ventils 30 ist mit einer durchgehenden Längsbohrung 54 versehen, von der eine durchgehende Querbohrung 55 abzweigt. Diese Querbohrung 55 kann mit einer Ringnut 56, die in der abgestuften Sacklochbohrung 51 im Steuerkolben 18 ausgebildet ist, in Überlappung gebracht werden. Die Ringnut 56 ist über einen Kanal 58 im Steuerkolben 18 mit der Verbindungsleitung 16 bzw. über den Servoanschluss 25 mit dem Servoraum 13 verbunden. Die Steuerleitung 32 (vgl. 1 bis 3) wird in diesem Ausführungsbeispiel von dem Kanal 58, der Ringnut 56, der Querbohrung 55 und der Längsbohrung 54 im Schieber 53 gebildet, wobei die Ableitung 37 (vgl. 1 bis 3) von der Ableitungsbohrung 52 im Boden 57 der Sacklochbohrung 51 im Servokolben 18 und dem mittig angeordneten Teil der Längsbohrung 54 gebildet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann das oder können die Lastverhalten-Ventile 30 beispielsweise in den Servokolben 18 integriert werden.
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Die dem Mittenbereich 49 zugewandte Seite der Schieber 53 sind jeweils mittels einer Ventilfeder 36 gegen den Boden 57 der Sacklochbohrung 51 abgestützt. Die gegenüberliegende Stirnseite des Schiebers 53 ist mit einem bevorzugt zylindrischen Fortsatz 60 versehen, der in einem in der Sacklochbohrung 51 festgesetzten Deckel 59 längsverschieblich gelagert ist. Der Deckel 59 ist dabei exemplarisch derart ausgebildet, dass er einerseits die Sacklochbohrung 51 im Servokolben verschließt und andererseits eine Öffnung aufweist durch die der Fortsatz 60 des Schiebers 53 hindurchragen kann. Der Deckel 59 ist so innerhalb der Sacklochbohrung 51 angeordnet, dass der Schieber 53 einen Verschiebeweg durchlaufen kann. Die Ventilfeder 36 drückt, wenn keine weitere Kraft auf den Schieber 53 ausgeübt wird, den Fortsatz 60 des Schiebers 53 durch den Deckel 59 hindurch, sodass der Fortsatz 60 in Längsrichtung der Sacklochbohrung 51 über den Deckel 59 vorsteht (vgl. linke Seite der Steuervorrichtung gemäß 4). Der Deckel 59 ist in der Sacklochbohrung 51 relativ zum Steuerkolben 18, bspw. durch einpressen oder einschrauben, fixiert und gegenüber dem Steuerkolben 18 nicht verschieblich.
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Bei dem in 4 gezeigten Betriebszustand der Steuereinheit 10 ist der Steuerkolben 18 unter der Krafteinwirkung des in der 4 rechts liegenden Proportionalmagneten 61 aus der in etwa mittigen Neutralstellung nach links verschoben. Der Stößel 62 des Proportionalmagneten 61 auf der rechten Seite ist so weit vorgeschoben, dass der Fortsatz 60 des Schiebers 53 des Lastverhalten-Ventils 30 im Deckel 59 versenkt ist. Der Stößel 62 des Proportionalmagneten 61 hat hierbei den rechts im Steuerkolben 18 angeordneten Schieber 53 gegen die Ventilfeder 36 so weit verschoben, dass die innere Ringnut 56 im Steuerkolben 18 von der Querbohrung 55 im Schieber 53 getrennt ist. Dies entspricht einem geschlossenen Lastverhalten-Ventil 30 auf der rechten Seite der Steuereinheit 10. Der Stößel 62 des in 4 rechts dargestellten Proportionalmagneten 61 hat über eine Anlage am Deckel 60 bzw. an einem Absatz in der Sacklochbohrung 51 zudem den Steuerkolben 18 nach links verschoben. Über die jeweils durch das Zusammenwirken der Steuerkanten 38 und 39 des Steuerzylinders 17 und des Steuerkolbens 18 geöffneten Kanäle für Druckfluid von der Speisepumpe 7 zum Servoraum 13 der Servoverstelleinheit 9 wird die Verstellpumpe 2 in bekannter Weise auf eine bestimmte Fördermenge von Druckfluid eingestellt. In dem in 4 dargestellten Betriebszustand der Hydraulikmaschine 1 ist die linke Verbindungsleitung 16 mit der linken Speiseleitung 28 verbunden. Der Zustand auf der rechten Seite der 4 entspricht im Prinzip einem laststeifen Betrieb; der Zustand auf der linken Seite entspricht einem lastweichen Betrieb der Hydraulikmaschine 1.
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In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, wie schon in 3, die linke Seite der Steuereinheit 10 die aktive Steuerseite, wobei die mit der rechten, passiven Steuerseite verbundene Seite der Servoverstelleinheit 9 die aktive Servoseite darstellt. Dabei ist die rechte Verbindungsleitung 16 mit dem Tank 27 verbunden. Die linke Seite der Steuervorrichtung 10 kann in ihrem Lastverhalten über die 4 gezeigten linken Proportionalmagneten 61 von dem dargestellten lastweichen Verhalten in ein lastweiches Verhalten geschaltet werden, ohne dass dabei der linke Proportionalmagnet 61 die Stellung des Steuerkolben 18 im Steuerzylinder 17 verändert. Änderungen der äußeren Last werden somit hydraulisch über die in 4 dargestellte, mit der rechte Seite der Steuereinheit 10 am Servoanschluss 25 angebundene Verbindungsleitung 16 hydraulisch weitergeleitet.
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Der Proportionalmagnet 61 auf der anderen, linken Seite der in 4 dargestellten Steuereinheit 10 ist nicht aktiv. Der linksseitige Schieber 53 wird durch die Kraft der links angeordneten Ventilfeder 36 gegen den Deckel 59 gedrückt und der Fortsatz 60 steht über den Deckel 59 hinaus. Hierdurch sind die linksseitige Ringnut 56 und die Querbohrung 55 im Schieber 53 in einer zumindest teilweisen Überlappung. Dies entspricht der geöffneten Stellung des Lastverhalten-Ventils 30, so dass der aus den Elementen Längsbohrung 54, Querbohrung 55 und Ringnut 56 gebildete Teil der Steuerleitung 32 über den Kanal 58 mit dem aktiven Servoanschluss 25 verbunden ist. Über die Längsbohrung 54 kann der Hydraulikdruck aus der aktiven Verbindungsleitung 16 auf die erste (linke) Stirnseite 19 des Steuerkolbens 18 einwirken. Die Höhe der Lastabhängigkeit kann über den in der 4 auf der linken Seite dargestellten Stößel 62 des Proportionalmagneten 61 eingestellt werden, indem der Stößel 62 auf den Fortsatz 60 derart einwirkt, dass die Überlappung von Querbohrung 55 und Ringnut 56 entsprechend vergrößert bzw. zu verringert wird. Damit wird gleichzeitig die Funktion der in den 1 bis 3 angesprochenen bevorzugt einstellbaren Drossel 33 bzw. der einstellbaren Lastfühligkeit, d. h. die Sensibilität der Lastweichheit bereitgestellt, da die so in die Steuerkolben integrierten Lastverhalten-Ventil nicht nur auf/zu-Funktionalität zeigen, sondern kraftproportional den Durchlass zwischen der Ringnut 56 und der Querbohrung 55 freigeben bzw. verschlossen. Je weiter der Fortsatz 60 des Schiebers 53 in den Steuerkolben 18 hineingedrückt wird, desto laststeifer wird das Betriebsverhalten der Hydraulikmaschine 1. Vollständige Laststeifheit ist erreicht, wenn zwischen der Querbohrung 55 im Schieber 53 und der Ringnut 56 im Steuerkolben 18 kein Hydraulikflüssigkeitsaustausch mehr möglich ist. In dieser Stellung ist das Lastverhalten-Ventil 30 geschlossen. Der Aktuator 21 auf der passiven Seite der Steuereinheit 10 kann somit nicht nur die Aufgabe übernehmen, die Betriebsweise der Hydraulikmaschine 1 von lastweich nach laststeif umzuschalten, sondern auch den Grad der Lastweichheit einstellen.
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An den seitlichen Seitenflächen 45 des in 4 dargestellten Gehäuses 44 sind Montageplatten 70 angeordnet, welche den Steuerzylinder 17 der Steuereinheit 10 nach außen bevorzugt druckdicht verschließen. An diesen Montageplatten 70 sind jeweils die Aktuatoren 21 montiert, die hier als Proportionalmagnete 61 mit je einem Stößel 62 versehen sind (der Übersichtlichkeit halber sind nur die Stößel 62 der Proportionalmagnete 61 gezeigt). Die Stößel 62 ragen durch die Montageplatten 70 hindurch und in die Sacklochbohrung 51 des zugeordneten Steuerkolbens 18 hinein. Die Stößel 62 bzw. die Verschiebewege der Proportionalmagnete 61 sind derart dimensioniert, dass die Stößel 62 mit dem jeweiligen zugeordneten Fortsatz 60 des Schiebers 53 in jeder Stellung des Lastverhalten-Ventils 30 in Kontakt sind. So kann bei Bedarf jederzeit Kraft auf den Schieber 53 ausgeübt werden, wobei bei Aktivierung des rechten Aktuators 21/Proportionalmagnets 61 zunächst das lastweiche Betriebsverhalten reduziert wird, bis Laststeifheit erreicht ist und bei weiterer Krafterhöhung auf den Fortsatz 60 bzw. auf eine Schulter oder einen Anschlag am Steuerkolben 18 das Fördervolumen der Hydraulikmaschine von diesem Aktuator 21 aktiv beeinflusst wird. Der Steuerkolben 18 kann dann von dem nun aktiven Aktuator 21 in seiner Position im Steuerzylinder 17 verändert werden.
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In 5 ist eine Detailansicht einer Steuereinheit 10 gemäß 4 in einem zweiten Betriebszustand im Schnitt dargestellt. Hier sind die Proportionalmagnete 61 auf beiden Seiten des Steuerkolbens 18 aktiv geschaltet. Die auf die rechte Stirnseite des Steuerkolbens 18 ausgeübte Kraft ist jedoch größer als diejenige auf der Gegenseite aufgebrachte Kraft. Der Steuerkolben 18 ist deshalb aus der Neutrallage nach links verschoben, wie schon in dem Betriebszustand nach 4. Beide Schieber 53 der Lastverhalten-Ventile 30 sind hier jedoch durch die Stößel 62 der Proportionalmagnete 61 zur Mitte des Steuerkolbens hin verschoben. Hierdurch sind auf beiden Seiten des Steuerkolbens 18 die Verbindungen zwischen den jeweiligen Ringnuten 56 und den Querbohrungen 55 im Schieber 53 geschlossen. Folglich sind die zugehörigen Steuerleitungen 32 von den zugeordneten Stirnflächen 19 und 20 des Steuerkolbens 18 auf beiden Seiten hydraulisch getrennt. Dies entspricht folglich einem laststeifen Betriebszustand der Verstelleinrichtung 8 und somit der Hydraulikmaschine 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikmaschine
- 2
- Verstellpumpe
- 3
- Auslass
- 4
- Einlass
- 5
- Leitung
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Speisepumpe
- 8
- Verstelleinrichtung
- 9
- Servoverstelleinheit
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Servozylinder
- 12
- Servokolben
- 13
- Servoraum
- 14
- Übertragungsglied
- 15
- Servofeder
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Steuerzylinder
- 18
- Steuerkolben/Steuerschieber
- 19
- erste Stirnseite
- 20
- zweite Stirnseite
- 21
- Aktuator
- 22
- Rückführfeder
- 23
- Anschluss
- 24
- Einlass für Steuerdruck
- 25
- Servoanschluss
- 26
- Auslass
- 27
- Tank/Hydraulikfluidsammelbereich
- 28
- Speiseleitung
- 29
- Verbindungselement
- 30
- Lastverhalten-Ventil
- 31
- Ventilbetätigungsvorrichtung
- 32
- Steuerleitung
- 33
- Drossel
- 34
- Abzweig
- 35
- Staudruckblende
- 36
- Ventilfeder
- 37
- Ableitung
- 38
- Steuerkanten des Steuerzylinders
- 39
- Steuerkanten des Steuerkolbens
- 40
- Positionsrückführeinrichtung
- 41
- Verstellelement
- 44
- Gehäuse
- 45
- Seitenfläche
- 46
- Querbohrung
- 47
- Nuten
- 48
- Einlasskanal
- 49
- Mittenbereich
- 50
- Hebel
- 51
- Sacklochbohrung
- 52
- Ableitungsbohrung
- 53
- Schieber
- 54
- Längsbohrung
- 55
- Querbohrung
- 56
- Ringnut
- 57
- Boden
- 58
- Kanal
- 59
- Deckel
- 60
- Fortsatz
- 61
- Proportionalmagnet
- 62
- Stößel
- 70
- Montageplatte