Leistungsregelung oder Drehmomentbegrenzung

Abstract

 Leistungsregelung oder Drehmomentbegrenzung für eine Hydropumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen , bei der jede Stellung des Stellkolbens (7) einer bestimmten Höhe des Steuerdrucks entspricht. Der Steuerdruck wird auf eine zweite Kolbenfläche (A2) eines Leistungsbegrenzungs-­Steuerventils (20) rückgeführt. Durch Wahl einer nichtlinearen Federkennlinie der Rückholeinrichtung (10) des Stellkolbens (7) kann eine weitgehende Annäherung an eine konstante Leistungsbegrenzung (Hyperbel in einem PQ-Diagramm) erzielt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungs­regelung oder Drehmomentbegrenzung für eine Hydropumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen (Stellpumpe) mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

[0002] Leistungsgeregelte Stellpumpen sind bekannt und werden unter anderem dann eingesetzt, wenn der Antriebs­motor (Elektromotor oder Verbrennungsmotor) eine kleinere Leistung aufweisen soll ,als es dem sogenannten Leistungs­eckwert entspricht, der sich aus dem größten Verdrängungs­volumen bei höchstem zulässigem Druck errechnet.

[0003] Die Leistung einer Stellpumpe errechnet sich bekanntlich aus dem Pumpenstrom, multipliziert mit dem Arbeitsdruck. Um zu einer Leistungsbegrenzung zu gelan­gen, müssen der Pumpenstrom und der Arbeitsdruck gemes­sen oder entsprechende Werte gebildet und verarbeitet werden. Während der Arbeitsdruck unmittelbar an Kolben­flächen einer hydraulischen Steuereinrichtung verwendet werden kann, macht das Messen des Pumpenstromes einen größeren Aufwand erforderlich, der die Kosten der Leistungsregelung im wesentlichen bestimmt.

[0004] Für diese Zwecke sind in der Praxis ein Strom­meßventil (Rexroth), eine mechanische Rückführung der Stellung des Stellkolbens der Hydropumpe (Volvo) oder eine Pilotsteuerung in Abhängigkeit vom Stellkolbenweg (Linde) in Gebrach. Nachteilig an diesen Einrichtungen ist der erhöhte Herstellungsaufwand.

[0005] Bei einer bekannten Leistungsregelung nach dem Ober­begriff des Anspruchs 1 (DE-A-32 32 695) wird eine mit dem Stellkolben verbundene Meßfeder benutzt, um die Lage des Stellkolbens zu messen und als Kraftsignal dem Steuer­ventil zuzuführen. Das Steuerventil muß deshalb in der Nähe des Stellkolbens angeordnet werden, was unerwünscht sein kann und immer noch einen beträchtlichen Aufwand er­forderlich macht.

[0006] Mit der Erfindung ist eine Leistungsregelung, insbesondere für einen Überlastschutz des Antriebsmotors, mit wesentlich verringertem technischem Aufwand erzielbar. Von besonderem Vorteil ist, daß das Steuerventil nicht an der Stellpumpe selbst angebracht sein muß.

[0007] Bei der erfindungsgemäßen Leistungsregelung wird vorausgesetzt, daß die Kolbenrückholeinrichtung so ausge­bildet ist, daß jeder Stellung des Stellkolbens eine be­stimmte Höhe des Steuerdrucks entspricht. Diese Vorausset­zung ist bei einer Feder oder einem Federpaket als Kolben­rückstelleinrichtung gegeben, und zwar unabhängig davon, ob eine unmittelbare Einwirkung auf den Stellkolben statt­findet oder über ein Zwischenglied, beispeilsweise die Schrägscheibe einer Axialkolbenpumpe. Die Kolbenverstell­einrichtung sollte eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, und zwar mit abnehmendem Pumpenstrom z.B. sich erhöhende Federsteifigkeit. Der Steuerdruck sollte also stärker zu­nehmen,als es der Abnahme des Pumpenstromes entspricht.

[0008] Wenn die besprochenen Verhältnisse gegeben sind, genügt zur Durchführung der Erfindung ein einfaches Steuer­ventil mit zwei Kolbenflächen, wobei die eine Kolbenfläche mit dem Arbeitsdruck und die andere Kolbenfläche mit dem Steuerdruck beaufschlagt werden. Das Steuerventil bildet gewissermaßen ein Produkt aus Arbeitsdruck und Pumpenstrom, wobei die Größe des Pumpenstroms als Drucksignal in Form des Steuerdrucks in die Leistungsregelung eingegeben wird.

[0009] Das Steuerventil kann als federbelasteter Schieberkolben mit zwei Steuerkanten ausgebildet sein. Dies stellt nicht nur eine außerordentlich ökonomische Lösung des Leistungsregelungsproblems dar, es ist auch die erforderliche Baugröße außerordentlich klein (kaum gröser als ein konventioneller Kompensator mit zwei Schie­berkolben) und kann im Ventilgehäuse von anderen Ventilen mit untergebracht werden.

[0010] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrie­ben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Axialkolbenpumpe mit Leistungsregelung im Querschnitt,

Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Pumpenstrom-Arbeitsdruck-Diagramm,

Fig. 4 ein weiteres Pumpenstrom-Arbeitsdruck-Diagramm und

Fig. 5 eine abgeänderte Axialkolbenpumpe.

[0011] Die Axialkolbenpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 mit einem Gehäusedeckel 3 auf, der als Steuerplatte aus­gebildet ist, ferner sind eine Schrägscheibe 4, eine Zylin­dertrommel 5 mit darin angebrachtem Pumpenkolben 6 und ein Stellkolben 7 vorgesehen. Die Zylindertrommel 5 weist eine Keil verzahnung zum Antrieb durch eine Antriebswelle 8 auf , die in Lagern des Gehäuses 2 bzw. des Gehäuse­deckels 3 gelagert ist. Die Kolben 6 stützen sich über Gleitschuhe 9 an der Schrägscheibe 4 ab. Die Schrägscheibe 4 ist schwenkbar gelagert und wird über eine Rückholein­richtung 10 in Richtung maximaler Schrägstellung entgegen der Einwirkungsmöglichkeit des Stellkolbens 7 gedrängt. In dem Gehäusedeckel 3 sind Einlaß- und Auslaßkanäle 11, 12 vorgesehen, die jeweils in nierenförmigen Schlitzen an der Innenseite des Deckels 3 enden. Über den Einlaß­kanal 11 wird Hydraulikflüssigkeit von einem Tank 13 ange­saugt, durch Drehung der Zylindertrommel 5 auf die Druck­seite geschafft und in den Auslaßkanal 12 hineinverdrängt. Je nach dem Schluckvermögen eines angeschlossenen hydrauli­schen Verbrauchers baut sich im Auslaßkanal ein entsprechen­der Arbeitsdruck oder Systemdruck auf.

[0012] Fig. 2 zeigt die Rückholeinrichtung 10 und den Stellkolben 7 in vergrößerter Darstellung. Die Rückholein­richtung enthält ein Federpaket mit zwei Druckfedern 15 und 16, die ineinander gefügt sind und deren Federweg unter­ schiedlich groß ist. Die Feder 16 stellt eine Zusatz­feder dar, die erst nach einer gewissen Schwenkung der Schrägscheibe 4 zur Wirkung kommt und dann eine Kraft zusätzlich zur Feder 15 ausübt. Es wird so eine geknickte Federcharakteristik der Gesamtanordnung erzielt. Erstrebens­wert ist eine Federcharakteristik, die in einem Kraft-Weg-­Diagramm progressiv steiler wird.

[0013] Der Stellkolben 7 ist in einem Zylinder 17 ge­führt, der über eine Steuerleitung 18 mit einem Steuerven­til 20 verbunden ist. Dieses steht über eine Druckleitung 19 mit dem Pumpenauslaßkanal 12 in Verbindung. Eine Abfluß­leitung 14 stellt eine Verbindung zum Tank 13 her.

[0014] Das Steuerventil 20 ist in einem Gehäuse 21 unter­gebracht, welches noch weitere Ventile aufnehmen kann, beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil 40. Das Steuer­ventil 20 besitzt einen Schieberkolben 22, der in einer Bohrung 23 mit der Querschnittsfläche A1 geführt ist und einen Steuerkolbenbund 24 mit zwei Steuerkanten aufweist, die mit entsprechenden Kanten zwischen der Ventilbohrung 23 und einer Steuerbohrung 25 zusammenarbeiten. In der Zeichnung links vom Steuerkolbenbund 24 steht die Ventil­bohrung 23 über die Druckleitung 19 mit dem Arbeitsdruck in Verbindung, während rechts von dem Steuerkolbenbund 24 eine Verbindung zur Abflußleitung 14 gegeben ist. Diese Verbindung läuft im vorliegenden Fall über einen Steuerkanal 35 und eine Ventilbohrung 33 des Druckbegren­zungsventils 40, welches einen Schieberkolben 32 und einen Steuerkolbenbund 44 besitzt, der normalerweise den über 19 zugeführten Systemdruck vom Steuerkanal 35 absperrt. Wenn der Steuerbund 24 seine Mittelstellung zur Steuerbohrung 25 einnimmt, fließt ein gedrosselter Leckstrom von der Druckleitung 19 zur Abflußleitung 14, so daß sich in der Steuerbohrung 25 ein mittlerer Druck einstellt, der als Steuerdruck über die Steuerdruckleitung 18 dem Stellkolben 7 zugeführt wird.

[0015] Fluchtend zur Ventilbohrung 23 ist eine Steuer­kammerbohrung 26 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Steuer­kolbens 27 und einer Ventilfeder 28 dient. Der Steuerraum 26 ist über einen Verbindungskanal 29 mit der Steuerlei­tung 18 verbunden, so daß die eine Seite des Steuerkol­bens 27 unter Steuerdruck steht. Die andere Seite des Kolbens 27 ist mit der Abflußleitung 14 verbunden. Der Steuerkolben 27 wird demnach entsprechend seiner Quer­schnittsfläche A2 und dem Steuerdruck P_c sowie durch die Kraft F1 der Ventilfeder 28 gegen den Schieberkolben 22 gedrängt , der seinerseits auf der Fläche A1 unter dem Arbeits- oder Systemdruck P_s steht. In der Gleichgewichts­stellung gilt somit:
P_s . A1 = P_c . A2 + F1 .

[0016] Die Betriebsweise der Regeleinrichtung ist wie folgt: Beim Anlauf befindet sich die Schrägscheibe 4 in ihrer maximalen Schwenkstellung, d.h. die Axialkolbenpumpe ist auf maximales Verdrängungsvolumen eingestellt. Es sei angenommen, daß der nicht gezeichnete, an der Welle 8 angrei­fende Antriebsmotor auf Solldrehzahl gebracht wird. Es wird dann der maximale Pumpenstrom Q1 (Fig. 3 und 4) an einen nicht gezeigten hydraulischen Verbraucher geliefert, dessen Eigenschaften die Höhe des sich einstellenden Ar­beitsdruckes in der Auslaßleitung 12 bestimmt. Es sei ange­nommen, daß sich ein höherer Druck als P1 (Fig. 3 und 4) einstellt. Dabei wird ein Ungleichgewicht am Schieberkol­ben 22 erreicht, d.h. der Schieberkolben wandert in der Zeichnung nach rechts und gibt einen größeren Drosselquer­schnitt zwischen seiner Druckzuführseite und der Steur­bohrung 25 frei, so daß der Steuerdruck in der Steuerdruck­leitung 18 ansteigt und der Stellkolben 7 verschoben wird. Dadurch wird die Schrägscheibe 4 in eine Stellung für her­abgesetzten Pumpenstrom verschwenkt, was durch die fallende Kennlinie im QP-Diagramm der Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Der erhöhte Steuerdruck ist andererseits auf den Kolben 27 rückgeführt, so daß sich das Ventil 20 in seine Gleich­gewichtslage rückbewegt, wobei im wesentlichen die Füllung des Zylinders 17 sich nicht weiter verändert. Die Pumpe liefert dann einen bestimmten Pumpenstrom bei dem angefor­ derten Arbeitsdruck. Wenn ein nochmals erhöhter Arbeits­druck von dem Verbraucher angefordert wird, dann führt dies zum erneuten Ansprechen des Steuerventils 20 und einer weiteren Erhöhung des Steuerdrucks mit der Folge der Ver­stellung der Schrägscheibe 4 auf einen nochmals verringer­ten Pumpenförderstrom.

[0017] Unter der Voraussetzung einer linearen Federkenn­linie der Rückholeinrichtung 10 wird die Neigung der QP-­Kennlinie in Fig. 3 oder 4 durch das Verhältnis der Quer­schnittsflächen des Steuerbundes 24 zum Steuerkolben 27, d.h. entsprechend dem Wert A1/A2 bestimmt. Je größer die Fläche A2 ist, umso flacher wird die QP-Kennlinie. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses A1:A2 kann man demnach das Verhalten der Regeleinrichtung bestimmen.

[0018] Ein weiteres Mittel der Beeinflussung der Regel­charakteristik besteht darin, die Kennlinie der Rückholein­richtung 10 zu beeinflussen. Im dargestellten Ausführungs­beispiel geschieht dies durch die Feder 16, der eine Feder­kennlinie K2 zukommen mag. Es sei angenommen, daß die Feder 16 im Betriebspunkt Q2 P2 (Fig. 4) zur Wirkung kommt, d.h. infolge der zurückweichenden Schrägscheibe 4 beaufschlagt wird. Der weiteren Schwenkung der Schrägscheibe 4 auf ver­ringertem Pumpenstrom stehen somit die beiden Federn 15 und 16 mit den Kennlinien K1 und K2 entgegen. Es wird des­halb eine relativ größere Stellkolbenkraft benötigt, die nur durch einen relativ höheren Steuerdruck P_c erzeugt werden kann. Gemäß der angeführten Gleichung führt dies zu einem höheren Arbeits- oder Systemdruck P_s, verglichen mit dem Fall ohne die Feder 16. Es wird deshalb die "gebro­chene" Charakteristik nach Fig. 4 erreicht.

[0019] Bei unzulässig hohen Drücken spricht das Druck­begrenzungsventil 40 an und erhöht den Steuerdruck P_c so weit, daß die Pumpe in ihre Nullhubstellung schwenkt. Dies ist bei P3 in Fig. 4 dargestellt.

[0020] Die Neigung der Kennlinie zwischen P1 und P2 in Fig. 3 stellt eine rohe Annäherung an eine Hyperbel dar. Die Annäherung an eine Hyperbel ist in der Kennlinie der Fig. besser . Durch entsprechende Gestaltung der Rück­holeinrichtung 10 kann die Annäherung an eine Hyperbel noch weiter getrieben werden. Im allgemeinen ist es aber ausreichend, die Annäherung gemäß Fig. 3 oder 4 an die ideale Hyperbel zu erzielen, wenn es darum geht, nur einen Überlastschutz für den Antriebsmotor zu schaffen.

[0021] Das Überlastschutz-Steuerventil 20 kann mit weiteren Ventilen gekoppelt sein, um zu einer Regelung des Stellmotors zu gelangen, denn es spricht nur im Grenzfall zu Überlastschutzzwecken an.

[0022] Fig. 5 zeigt eine Axialkolbenpumpe 1a, bei der zwei Stellkolben 7a, 7b vorgesehen sind. Während der - größere - Stellkolben 7a über die Steuerleitung 18 mit dem Überlastschutz-Steuerventil 20 verbunden ist, ist der - kleinere - Stellkolben 7 b mit einer Abzweigleitung 12b der Auslaßleitung 12 verbunden und empfängt den Systemdruck. Der kleinere Stellkolben 7b bildet, zusammen mit einer nicht dargestellten Rückholfeder, die Rückholeinrichtung 10 der Schrägscheibe 4. Auch hierbei läßt sich ein steigender Steuerdruck im Zylinder 17 in Abhängigkeit von der Schwenk­stellung der Schrägscheibe 4 erzielen.

Ansprüche

1. Leistungsregelung oder Drehmomentbegren­zung für eine Hydropumpe mit veränderlichem Verdrängungs­volumen, mit folgenden Merkmalen:
zur Verstellung des Verdrängungsvolumens (Q) ist ein Verstell­organ (4, 7, 10) mit Stellkolben (7) vorgesehen;
ein Steuerventil (20) regelt die Höhe des Steuerdrucks (P_c) und weist hierzu ein Steuerglied (22) mit einer ersten Steuerkolbenfläche (A1) auf, die - entgegen der Kraft (F1) einer Ventilfeder (28) - vom Arbeitsdruck (P_s) beaufschlagt ist;
der Stellkolben (7) ist vom Steuerdruck (P_c) entgegen der Wirkung einer Rückholeinrichtung (10) verschiebbar;
gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:
die Rückholeinrichtung (10) ist so ausgebildet, daß jeder Stellung des Stellkolbens (7) eine bestimmte Höhe des Steuerdruckes (P_c) entspricht;
das Steuerventil (20) weist - entgegen der Wirkung der ersten Steuerkolbenfläche (A1) - eine zweite Steuerkolben­fläche (A2) auf, die vom Steuerdruck (P_c) beaufschlagt ist.

2. Leistungsregelung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstelleinrichtung (10) aus einer oder mehreren Federn (15, 16) besteht.

3. Leistungsregelung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (15, 16) in ihrem Federweg nacheinander zur Wirkung gelangen.

4. Leistungsregelung nach einem der An­sprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerkolbenfläche (A2) größer als die erste Steuerkolbenfläche ist.

5. Leistungsregelung nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Größen der ersten und zweiten Steuerkolbenfläche (A1/A2) zueinander sowie die Federkennlinien (K1, K2) und die Federwege der Federn (15, 16) der Rückstelleinrichtung (10) so gewählt sind, daß eine Annäherung an eine konstan­te Leistungsbegrenzung (Hyperbel in einem QP-Diagramm) erzielt wird.

Zeichnung