Ventilgesteuerter Hydromotor

Die Erfindung betrifft einen ventilgesteuerten Hydromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schiuckvolumen über die Ventilsteuerung stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf verbindbar ist.

Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpen-/Motorsteuerung ansteuerbar sind, um den jeweiligen Arbeitsraum im „füll mode", im „partial mode" oder im „idle mode" zu betreiben. Beim „füll mode" wird im Wesentlichen das gesamte Schluck- oder Fördervolumen ausgenützt, im „partial mode" entsprechend nur ein Teil des Volumens. Im „idle mode" ist das Förder-/Sch!uckvolumen des jeweiligen Arbeitsraumes gleich 0 - die Maschine arbeitet im Leerlauf.

über eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittsteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.

Bei der im Stand der Technik beschriebenen, als Motor betriebenen Lösung ist das im Zulauf zu jedem Arbeitsraum angeordnete Zulaufventil im unbestromten Zustand mittels Federkraft geschlossen. Das im Ablauf angeordnete Rückschlagventil ist im unbestromten Zustand durch die Federkraft in öffnungsrichtung vorgespannt.

im Motorbetrieb wird zum Antreiben einer mit der Taumelscheibe verbundenen Welle das Ablaufventil durch Bestromen eines Betätigungsmagneten geschlossen und gleichzeitig das Zulaufventil geöffnet. Dadurch kann Druckmittel in den Arbeitsraum einströmen, so dass die hydraulische Energie des Druckmittels durch die Axialverschiebung des jeweiligen Kolbens und die entsprechende Drehbewegung der Taumelscheibe in eine Drehbewegung der Welle und somit in mechanische Energie umgewandelt wird. Kurz vor dem inneren Totpunkt, in dem der jeweilige Kolben die volle Schluckbewegung ausgeführt hat, wird das Zulaufventil geschlossen, so dass durch den verbleibenden Resthub des Kolbens bis zum Totpunkt der Arbeitsraum druckentlastet wird. Durch diese Druckentlastung kann das Ablaufventil druckentlastet öffnen und der Kolben kann in seiner nachfolgenden Förderbewegung sein Schluckvolumen zum Tank ausschieben. Kurz vor dem äußeren Totpunkt wird dann das Ablaufventil durch Bestromen des entsprechenden Betätigungsmagneten geschlossen. Der verbleibende Hub des Kolbens bis äußeren Totpunkt wird dann zum Komprimieren des im Arbeitsraum eingeschlossenen Druckmittels benutzt, so dass das Zulaufventil bei Erreichen des äußeren Totpunkts druckentlastet öffnen kann. Durch diesen Ablauf ist gewährleistet, dass die Rückschlagventile im weitgehend druckausgeglichenen Zustand durch relativ geringe Betätigungsmagnetkräfte geschaltet werden können. Diese Ansteuerung ist aufgrund der geforderten Schaltdynamik notwendig.

Beim Anfahren derartiger Hydromotoren entspricht der Druck im Arbeitsraum im Wesentlichen dem Tankdruck, während das Zulaufventil in Schließrichtung durch die Kraft der Feder und zusätzlich durch den Hochdruck im Zulauf beaufschlagt ist. Da die Kolben und entsprechend auch die Taumelscheibe stillstehen, kann der vorbeschriebene Druckausgleich durch die Kompression des Druckmittels im Arbeitsraum nicht erfolgen. Der Betätigungsmagnet des Zulaufventils muss daher so ausgelegt werden, dass er das Zulaufventil gegen den hohen Druck im Zulauf öffnen kann. Hierzu ist ein sehr großer Betätigungsmagnet erforderlich, der hinsichtlich der Dynamik den Erfordernissen nicht genügt und zudem sehr teuer ist und einen erheblichen Bauraum benötigt, so dass die Hydromaschine nicht mit der erforderlichen Kompaktheit ausführbar ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hydromotor mit verbessertem Anfahrverhalten bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch einen ventilgesteuerten Hydromotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß hat der Hydromotor eine Vielzahl von Kolben, die gemeinsam mit einem Zylinder einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil mit einem Zulauf und über ein Ablaufventil mit einem Ablauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die Wirkflächen des Zulaufventils in Schließ- und öffnungsrichtung druckausgeglichen. D.h. die in Schließrichtung und öffnungsrichtung wirksamen Flächen und die darauf wirkenden Drücke sind in der Summe etwa gleich groß, so dass ein kleiner Betätigungsmagnet ausreicht, um zum Anfahren des Hydromotors das Zulaufventil in öffnungsrichtung zu verstellen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gesamtfläche der in Schließrichtung beaufschlagten Wirkflächen gleich der Gesamtfläche der in öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen.

Die Betätigung des Zulaufventils erfolgt vorzugsweise über einen Betätigungsmagneten, prinzipiell können jedoch auch andere Aktuatoren verwendet werden.

Das Zulaufventil und vorzugsweise auch das Ablaufventil sind als Rückschlagventile ausgeführt, wobei das Zulaufventil einen Ventilkörper hat, der gegen einen Sitz vorgespannt ist. Der Ventilkörper ist in einer Ventilbohrung eines Gehäuses geführt, wobei im Bereich des Sitzes die Ventilbohrung zu einem Zulaufraum in Radialrichtung erweitert ist, der mit dem Zulauf verbunden ist.

Bei einer Variante der Erfindung ist eine dem Sitz zugeordnete Dichtfläche des Ventilkörpers an einem mit Bezug zu einem Führungsabschnitt des Ventilkörpers radial erweiterten Bund ausgebildet, dessen rückwärtige, vom Sitz abgewandte Ringfläche mit dem Druck im Arbeitsraum und dessen in der Schließstellung zulaufseitig gelegener Stirnflächenabschnitt mit dem Zulaufdruck beaufschlagt ist. Eine vom Sitz entfernte rückseitige Stirnfläche des Führungsabschnittes des Ventilkörpers begrenzt einen Federraum, in dem ebenfalls der Zulaufdruck wirkt.

Bei einer vereinfachten Ausführung entspricht die Fläche des Sitzes etwa derjenigen einer rückwärtigen, einen Federraum begrenzenden Stirnfläche des Ventilkörpers, die in Schließrichtung mit einem dem Arbeitsraumdruck entsprechenden Druck beaufschlagt ist - bei dieser Variante sind beide Stirnflächen des Ventilkörpers mit gleicher Fläche ausgeführt und in der Schließstellung beide mit dem Arbeitsraumdruck beaufschlagt.

Der Aufbau dieses Zulaufventils ist besonders einfach, wenn im Ventilkörper eine Längsbohrung ausgebildet ist, durch die der Federraum und der sich an den Sitz anschließende arbeitsraumseitige Druckraum miteinander verbunden sind, so dass beide Stirnflächen mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind.

Der erfindungsgemäße Hydromotor kann als Axial- oder Radialkolbenmaschine ausgeführt sein.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Funktion einer ventilgesteuerten Hydromaschine;

Figur 2 ein Funktionsschaubild eines Zulaufventils der Hydromaschine aus Figur 1 und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zulaufventils für eine Hydromaschine gemäß Figur 1.

Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Hydromaschine als ventilgesteuerter Hydromotor 1 in Axialkolbenbauweise mit Taumelscheibe ausgeführt. Das Funktionsprinzip eines derartigen Hydromotors wird anhand Figur 1 erläutert, die eine stark vereinfachte Abwicklung eines Hydromotors 1 in Axialkolbenbauweise zeigt. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert, hinsichtlich detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen, in dem das Funktionsprinzip einer derartigen Hydromaschine mit digital verstellbarem Förder- /Schluckvolumen (DDP, DDM) ausführlich erläutert ist.

Gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 hat der Hydromotor 1 einen Zylinder 2, in dem eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit der Zylinderbohrung 4 einen Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub der Kolben 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer schräg

gestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist die aufgrund der Rotation der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit des Volumens des jeweiligen Arbeitsraums wiedergibt. Wie in Figur 1 rechts dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein Zulaufventil 16 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Zulaufleitung 18 verbunden, die mit einem System- oder Hochdruck beaufschlagt ist. Dieser Hochdruck kann beispielsweise über eine Pumpe 20 erzeugt werden.

Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.

Wie bereits eingangs erläutert, sind die Ablaufventile 22 und die Zulaufventile 16 jeweils als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Das Zulaufventil 16 ist über eine nicht dargestellte Feder in seiner dargestellten Grundposition in eine Schließposition vorgespannt und lässt sich durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 18 in eine öffnungsstellung bringen, so dass das Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 in den jeweiligen Arbeitsraum 8 einströmen kann. Das Ablaufventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über eine Feder in eine öffnungsstellung vorgespannt. Durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 30 lässt sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen, in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen kann. Der Einfachheit halber sind in der Darstellung gemäß Figur 1 nur die Schaltsymbole der rechts angeordneten Ventile 28, 30 dargestellt, die anderen, den sonstigen Arbeitsräumen zugeordneten Ventile sind entsprechend aufgebaut.

Die Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die eingangs beschriebenen Modi (füll mode, partial mode und idle mode) einstellbar sind, so dass das Schluckvolumen des Hydromotors 1 stufenlos verstellbar ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle 12, die über einen Drehzahlaufnehmer 36 erfasst und über eine Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell können selbstverständlich auch andere Kenndaten, wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende Drehmoment oder das Schluckvolumen des Hydromotors 1 bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt werden.

Zum Anfahren des Hydromotors 1 werden die sich auf dem Weg vom äußeren Totpunkt (oben in Figur 1) zum inneren Totpunkt befindlichen Kolben mit Hochdruck beaufschlagt - diese Kolben sind beispielsweise in dem rechten, abfallenden Teil der Steuerkurve 14 angeordnet. Zur Hochdruckbeaufschlagung dieser Kolben 6 müssen zunächst die zugeordneten Zulaufventile 16 gegen den Druck in der Zulaufleitung 18 aufgesteuert werden. Wie eingangs erläutert, sind bei den herkömmlichen Hydromotoren 1 vergleichsweise große Betätigungsmagneten 28 erforderlich, um das Ventil zu öffnen, da in den jeweiligen Arbeitsräumen 8 ein dem Tankdruck entsprechender Druck anliegt.

Figur 2 zeigt ein Prinzipschaubild eines Zulaufventils 16 für eine Hydromaschine

1 gemäß Figur 1. Dieses Zulaufventil 16 ist mit seinem axialen Ausgangsanschluss an den Arbeitsraum 8 und mit seinem radialen Eingangsanschluss an die Förderleitung 18 angeschlossen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Zulaufventil 16 eine abgestufte Ventilbohrung 34, in der ein Ventilkörper 36 axial verschiebbar geführt ist. Dieser ist als Stufenkolben ausgeführt und hat einen radial erweiterten Bund 38, dessen in Figur 2 unten liegender Endabschnitt kegelförmig ausgebildet ist, so dass sich eine schräg angestellte Dichtfläche 40 ergibt, die in der dargestellten Grundposition auf einem gehäuseseitigen Sitz 42 aufsitzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Sitz 42 mit einer Sitzkante ausgeführt, prinzipiell könnte der Sitz 42 jedoch auch mit einer schräg angestellten Dichtfläche versehen sein. In der Darstellung gemäß Figur

2 oberhalb der Anlage der Dichtfläche 40 an den Sitz 42 ist die Ventilbohrung 34 zu einem Zulaufraum 44 erweitert, in den die Zulaufleitung 18 einmündet. Der Bund 38 des Ventilkörpers 36 geht in einen radial zurückgesetzten Führungsabschnitt 46 über, wobei durch die verbleibende Ringfläche 48 mit einer benachbarten Radialstufe des Ventilgehäuses ein Ringraum 50 begrenzt ist. Dieser ist über einen Verbindungskanal 52 im Ventilgehäuse mit dem arbeitsraumseitigen Ausgangsanschluss des Zulaufventils 16 verbunden, so dass im Ringraum 50 entsprechend etwa der Druck im Arbeitsraum 8 anliegt.

Die in Figur 2 oben liegende rückwärtige Stirnfläche 54 des Führungsabschnitts 46 begrenzt mit einem Boden der Ventilbohrung 34 einen Federraum 56, in dem eine Feder 58 aufgenommen ist, die an der Stirnfläche 54 angreift und den Ventilkörper 36 gegen den Sitz 42 in seine dargestellte Schließposition vorspannt. Das Aufsteuern des Ventilkörpers 36 erfolgt über einen Betätigungsmagneten 60, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als sehr schnell schaltender, ziehender Magnet ausgeführt ist. Prinzipiell kann auch ein anderer Aktuator, beispielsweise ein Piezoantrieb oder

dergleichen verwendet werden. Ein Stößel 62 dieses Betätigungsmagneten ist mit dem Ventilkörper 36 verbunden, so dass beim Bestromen des Betätigungsmagneten 60 der Ventilkörper 36 vom Sitz 42 abgehoben wird. Der Federraum 56 ist über eine Zweigleitung 64 mit der Zulaufleitung 18 verbunden, so dass entsprechend im Federraum 56 Zulaufdruck anliegt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in Schließrichtung und in öffnungsrichtung druckbeaufschlagten Flächen jeweils gleich groß ausgeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel heißt dies konkret, dass die Fläche des Ventilsitzes 42, gekennzeichnet durch den Durchmesser V gleich der Fläche der Ringfläche 48 ist, die durch die Differenz des Durchmessers D des Bundes 38 minus des Durchmessers d des Führungsabschnittes 46 definiert ist. Des Weiteren ist die durch den Durchmesser d gekennzeichnete Stirnfläche 54 gleich groß wie der im Zulaufraum 44 gelegene Teilabschnitt der Bundstirnfläche, deren Stirnfläche durch die Differenz des Durchmessers D (Durchmesser des Bunds 38) minus V (Ventilsitzdurchmesser) bestimmt ist. Da die jeweils gleichen Flächen immer mit dem gleichen Druck (Zulaufdruck oder Druck im Arbeitsraum) beaufschlagt sind, ist der Ventilkörper 36 im Wesentlichen druckausgeglichen, so dass er lediglich durch die Kraft der Feder 58 in Schließrichtung beaufschlagt ist. Zum Aufsteuern des Zulaufventils 16 kann daher ein vergleichsweise kleiner, schnell schaltender und kompakt bauender Betätigungsmagnet 60 gewählt werden.

Zum Anfahren des Hydromotors 1 wird der Betätigungsmagnet 60 bestromt und der Ventilkörper 36 vom Ventilsitz 42 abgehoben. Dadurch kann das Druckmittel von der Zulaufleitung 18 über den radialen Anschluss, den Zulaufraum 44 und durch den aufgesteuerten Ventilsitz 42 hindurch in den Arbeitsraum 8 einströmen. Um beispielsweise den „partial mode" einzustellen, wird der Betätigungsmagnet 60 während der Schluckbewegung des Kolbens 6 in der gewünschten Kolbenposition stromlos geschaltet, so dass der Ventilkörper 36 durch die Kraft der Feder 58 wieder in seine Sperrposition zurück verschoben wird. Der Druck im Arbeitsraum 8 wird durch die weitere Kolbenbewegung dekomprimiert und das niederdruckseitige Ablaufventil 22 geöffnet. Um einen ruckfreien übergang in den Motor-Schluckbetrieb zu gewährleisten, wird das Ablaufventil 22 kurz vor dem äußeren Totpunkt (oben in Figur 1) geschlossen. Mit dem verbleibenden Hub des Kolbens 6 wird dann das Druckmittel komprimiert, so dass das Druckmittel im Arbeitsraum 8 ansteigt. Wenn der Druck im Arbeitsraum 8 etwa auf den Zulaufdruck angestiegen ist und somit ein druckausgeglichener Zustand an den beiden Anschlüssen des Zulaufventils 16 vorliegt, wird der Betätigungsmagnet 60 bestromt und das Zulaufventil 16 aufgesteuert - der Hydromotor 1 kann dann auf

seinen gewünschten Betriebszustand (füll mode, partial mode oder idle mode) eingestellt werden.

In Figur 3 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Zulaufventils 16 dargestellt. Der Grundaufbau des Ventils entspricht demjenigen aus Figur 2, so dass hier nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert werden. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper 36 mit einem durchgehend zylindrischen Schaft 66 ausgeführt, an dessen unterem Endabschnitt (Ansicht nach Figur 3) ein in Radialrichtung erweiterter Schließkegel 68 vorgesehen ist, dessen Kegelfläche die Dichtfläche 40 bildet. Diese sitzt in der Grundposition - wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - auf dem Sitz 42 auf. Der Durchmesser D des Sitzes 42 entspricht dem Durchmesser d des Schaftes 66. Dessen Rückseite begrenzt mit der Stirnfläche 54 wiederum einen Federraum 56, an dessen Stirnwandung die am Ventilkörper 36 angreifende Feder 58 abgestützt ist.

Der schaftseitige Endabschnitt des Schließkegels 68 ist im Zulaufraum 44 angeordnet, wobei aufgrund der maßlichen übereinstimmung des Ventilsitzdurchmessers und des Schaftdurchmessers (D = d) der im Zulaufraum 44 gelegene Bereich des Schließkegels 68 druckausgeglichen ist. Gemäß der Darstellung in Figur 3 wird der Ventilkörper 36 von einer axial verlaufenden Längsbohrung 70 durchsetzt, die einerseits im Federraum 56 und andererseits in dem arbeitsraumseitigen Druckraum mündet, so dass beide gleich großen Stirnflächen des Ventilkörpers 36 mit dem Druck im Arbeitsraum 8 beaufschlagt sind - durch diese sehr einfache Ausgestaltung des Ventilkörpers 36 ist somit ebenfalls ein Druckausgleich gewährleistet, so dass wieder um ein kleiner Betätigungsmagnet 60 verwendbar ist. Die Funktionsweise des in Figur 3 dargestellten Zulaufventils 16 entspricht demjenigen aus Figur 2, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.

Selbstverständlich kann die Längsbohrung 70 auch im Ventilgehäuse ausgebildet sein. Entsprechend könnten die Kanäle 52, 64 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 auch in den Ventilkörper 36 integriert werden. Die Hydromaschine kann in Radial- oder Axialbauweise ausgeführt sein.

Offenbart ist ein ventilgesteuerter Hydromotor mit einer Vielzahl von Kolben, die jeweils abschnittsweise einen Arbeitsraum begrenzen, der über ein entsperrbares Zulaufventil mit einem Zulauf und über ein Ablaufventil mit einem Ablauf verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind die in Schließ- und öffnungsrichtung beaufschlagten Wirkflächen des Zulaufventils druckausgeglichen.

Bezuqszeichenliste:

Hydromotor

Zylinder

Zylinderbohrung

Kolben

Arbeitsraum

Kolbenschuh

Abtriebswelle

Steuerkurve

Zulaufventil

Zulaufleitung

Pumpe

Ablaufventil

Ablaufleitung

Tank

Betätigungsmagnet

Betätigungsmagnet

Rückschlagventil

Ventilbohrung

Ventilkörper

Bund

Dichtfläche

Sitz

Zulaufraum

Führungsabschnitt

Ringfläche

Ringraum

Verbindungskanal

Stirnfläche

Federraum

Feder

Betätigungsmagnet

Stößel

Zweigleitung

Schaft

Schließkegel

Längskanal