DE10000109A1 - Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische Kolben-Zylinder-Einheit - Google Patents

Abstract

Es wird eine Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische Kolben-Zylinder-Einheit (1) vorgeschlagen, welche einen Stellkolben (2) aufweist, der von einer Nullstellung N in mindestens eine Auslenkstellung A bewegbar ist und mit einer Nullstellungskraft wieder in seine Nullstellung N rückstellbar ist, wobei die Nullstellungskraft mindestens teilweise hydraulisch erzeugt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Stellkolben, welcher von mindestens einer Auslenkstellung in eine vorbestimmte Nullstellung rückstellbar ist, insbesondere für einen reversierbaren Hydrostaten, mit welchem innerhalb eines geschlossenen Hydrauliksystems entgegengesetzte Schwenkbewegungen erzeugbar sind.

Derartige Nullstellungseinrichtungen finden beispielsweise Anwendung in hydraulischen Systemen mit geschlossenem Kreislauf, wenn ein doppeltwirkender Hydrostat (hydrostatischer Linearmotor mit zweiseitiger Druckbeaufschlagung) vorgesehen ist, der von jeder seiner Auslenkstellungen, in die er über entsprechend einseitige Druckbeaufschlagung mit einem Stelldruck gebracht wird, wieder zurück in eine Ausgangsstellung gebracht werden muß. Die Ausgangsstellung bezeichnet man als Nullstellung, da hierbei regelmäßig keine Förderung von Arbeitsmedium erfolgt.

Bei einer solchen Nullstellung von hydraulischen Einrichtungen, die auch häufig als Rückstellung oder Rückführung bezeichnet wird, ist es erforderlich, daß die Nullstellungskräfte der Nullstellungseinrichtung so ausgelegt sind, daß sie mindestens die Stelldrücke der Hauptpumpe des Systems bei maximaler Auslenkung des Hydrostaten überwinden kann, und auch noch bei maximalen Arbeitsdrücken ein Nullstellen ermöglicht. Dies ist notwendig, damit der Stellkolben des Hydrostaten in jeder möglichen Arbeits- und Drucksituation des Systems in seine vorbestimmte Nullstellung rückstellbar ist.

Eine bekannte Nullstellungseinrichtung besteht aus einer oder mehreren mechanischen Rückstellfedern, die zwischen dem Kolben und dem Zylinder des Hydrostaten im Innern des Kolbens so befestigt sind, daß der Kolben von seinen beiden Auslenkstellungen automatisch wieder in seine Nullstellung mittels der Federkräfte zurückbewegt wird. Ein Nachteil dabei ist, daß mit zunehmender Ausschwenkung des Hydrostaten die zum Ausschwenken des Stellkolbens erforderlichen Stelldrücke ansteigen aufgrund von zunehmenden Federkräften der Rückstellfedern. Die zum Ausschwenken benötigte Kraft setzt sich nämlich zusammen aus der zu überwindenden Nullstellungskraft der Rückstellfedern und gegebenenfalls vorhandenen Verstellkräften aus einem angeschlossenen Triebwerk. Deshalb müssen entweder die Stelldrücke ensprechend erhöht oder die druckbelasteten Kolbenflächen des Stellkolbens vergrößert werden, um die somit auch steigenden Nullstellungskräfte zu kompensieren.

Ein Beispiel einer solchen bekannten Nullstellungseinrichtung mit Rückstellfedern ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Hier sind die Rückstellfedern im Innern des Stellkolbens integriert um eine möglichst kompakte Bauweise zu ermöglichen. Bei zunehmender Auslenkung des Stellkolbens muß der Stelldruck bei einem Hydrostaten mit dieser mechanischen Nullstellung erhöht werden. Der Stelldruck muß dabei entsprechend den gestiegenen Kräften wegen der zunehmenden Federkraft erhöht werden. Es muß also z. B. mit höheren Stelldrücken und damit erhöhtem Aufwand auf der Antriebsseite gearbeitet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nullstellungseinrichtung zu schaffen, welche eine kostensparende und verbesserte Nullstellung von hydrostatischen Kolben-Zylinder-Einheiten ermöglicht und eine kompakte und möglichst platzsparende Form aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einer Nullstellungseinrichtung gemäß den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Nullstellungseinrichtung gemäß der Erfindung, mit welcher der Stellkolben einer Kolben-Zylinder-Einheit innerhalb des Stellzylinders von mindestens einer Auslenkstellung in eine vorbestimmte Nullstellung rückstellbar ist, erfolgt die Nullstellung mittels einer Nullstellungskraft, welche mindestens teilweise hydraulisch erzeugt wird. Auf diese Weise hat die Einrichtung den erheblichen Vorteil, daß ein Ansteigen von Nullstellungskräften mit zunehmender Auslenkung des Stellkolbens, wie es bei den bekannten mechanischen Rückstellfedern der Fall ist, weitestgehend vermieden wird. Da die Nullstellungskraft hydraulisch erzeugt wird, bleiben die erforderlichen Stelldrücke über den gesamten Auslenkungsweg der Kolben-Zylinder-Einheit im wesentlichen gleich. Die hydraulisch erzeugte Kraft erhöht sich bei einer zunehmenden Verstellung nicht bzw. kaum, obwohl die Nullstellungseinrichtung ein gezieltes und zuverlässiges Nullstellen des Kolbens durchführt. Damit ist ein präzises Nullstellen des Stellkolbens aus jeder erdenklichen Position und bei jeden auftretenden Triebwerkskräften gewährleistet. Insgesamt hat dies den Vorteil, daß die Nullstellungseinrichtung kompakter als bisher ausgebildet sein kann bzw. daß die erforderlichen Stelldrücke bei Verwenden einer solchen Nullstellungseinrichtung geringer sind gegenüber Einrichtungen nach dem Stand der Technik. Beispielsweise kann so eine Kolben-Zylinder-Einheit kleiner als bisher ausgeführt werden, da wegen der geringeren Stelldrücke die erforderlichen Kolbenflächen des Stellkolbens kleiner sein können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Nullstellungskraft hydraulisch und federmechanisch erzeugt. Dadurch ist eine Nullstellung des Stellkolbens auch in drucklosem Zustand gewährleistet. Das hat den Vorteil, daß die Nullstellungskraft zwar geringfügig ansteigt mit zunehmender Verstellung des Stellkolbens von seiner Nullposition weg, daß jedoch auch bei drucklosem System der Stellkolben ohne den hydraulischen Anteil der Nullstellungskraft in seine Nullstellung automatisch verstellbar ist. Dabei ist der federmechanisch erzeugte Anteil der Nullstellungskraft nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung so gering festzulegen, daß er gerade ausreicht für eine Verstellung des Stellkolbens ohne hydraulischen Druck.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient der Speisedruck einer Speisepumpe in einem hydraulischen System zum Erzeugen der Nullstellungskraft. Der ohnehin in jedem hydraulischen Kreis vorhandene Speisedruck, welcher zum Ausgleichen von Druckverlusten wegen Undichtigkeiten und dgl. dient, kann so für die Nullstellungseinrichtung mit geringem Zusatzaufwand eingesetzt werden. Es sind auf diese Weise keine aufwendigen Zusatzgeräte zum Betreiben der Nullstellungseinrichtung notwendig.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Nullstellungskolben vorgesehen, welcher mit dem Stellzylinder fest verbunden ist und mit dem Stellkolben hydraulisch so zusammenwirkt, daß bei Zuführung eines Nullstellungsdruckes der Stellkolben in seine Nullstellung gebracht wird. Bei druckbeaufschlagtem Nullstellungskolben wird somit der Stellkolben der Kolben- Zylinder-Einheit in seine Ausgangsposition verstellt. Nach einem diesbezüglichen vorteilhaften Aspekt ist der Nullstellungskolben im Innern des Stellkolbens angeordnet und über eine Kolbenstange mit dem Stellzylinder verbunden. Im Innern des Stellkolbens ist ein Zylinderrohr zur Aufnahme des Nullstellungskolbens ausgebildet, so daß eine Beeinträchtigung oder Vergrößerung des betreffenden Hydrostaten vermieden wird. Die Nullstellungseinrichtung ist vollständig und Platz sparend in dem Stellkolben integriert. Ein Vorteil ist hier in dem kompakten Aufbau der Nullstellungseinrichtung bzw. des gesamten Hydrostaten zu sehen. Für die Zuführung des Nullstellungsdruckes in das Innere des Stellkolbens sind vorteilhafterweise Druckleitungen oder Zuführöffnungen im Stellkolben und im Stellzylinder entsprechend gegenüberliegend vorgesehen. Dabei sind die Leitungen und Öffnungen so ausgebildet, daß trotz der Relativbewegung von Stellkolben und Stellzylinder jederzeit eine Zuführung des Nullstellungsdruckes möglich ist. Dies ist beispielsweise durch eine in Axialrichtung des Stellkolbens erweitert auslaufende Öffnung im Stellzylinder oder entsprechende Längsnuten realisierbar.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Rückstellfeder mit abgestimmter Federkonstante vorgesehen zum Nullstellen des Stellkolbens bei drucklosem Zustand. So ist eine Nullstellung auch gewährleistet, wenn der Druck im hydraulischen System - und damit in der Kolben-Zylinder- Einheit - abfällt oder kein Speisedruck vorhanden ist. Die Federkraft dieser Feder ist natürlich viel geringer als die von den Eingangs beschriebenen Rückstellfedern bei Einrichtungen nach dem Stand der Technik, da bei einem Nullstellen in drucklosem Zustand lediglich Reibungskräfte zwischen dem Stellkolben und seinem Zylinder überwunden werden müssen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nullstellungsposition des Stellkolbens einstellbar. Die Einstellung oder Nachstellung ist von Vorteil, da so die Position des Stellkolbens in Nullstellung noch nachträglich geändert und erforderlichenfalls nach langer Betriebsdauer nachgestellt werden kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kolbenflächen des Nullstellungskolbens auf eine maximal erforderliche Nullstellungskraft abgestimmt. So kann auf konstruktive Weise die Nullstellungseinrichtung auf die Verwendung und die Einsatzgebiete des Hydrostaten abgestimmt werden. Sind die maximalen Druckverhältnisse gering, so kann durch Berechnungen die entsprechend geringe Größe von Kolbenflächen für ein ausreichendes funktionieren der Nullstellung berechnet werden. Nach einem diesbezüglichen Aspekt der Erfindung ist alternativ dazu der Nullstellungsdruck auf eine maximal im hydraulischen System erforderliche Nullstellungskraft abgestimmt. Dadurch ist die Nullstellungseinrichtung für unterschiedliche Maximaldruckverhältnisse über den veränderlichen Nullstellungsdruck anpaßbar.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Draufsicht einer Kolben-Zylinder-Einheit mit mechanischer Nullstellung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 eine geschnittene Draufsicht einer Kolben-Zylinder-Einheit mit mechanisch-hydraulischer Nullstellung gemäß der Erfindung in Nullstellung,

Fig. 3 eine geschnittene Draufsicht der Kolben-Zylinder-Einheit aus Fig. 2 in einer Auslenkstellung, und

Fig. 4a, 4b zwei Diagramme zur Veranschaulichung des Unterschiedes zwischen mechanisch erzeugter Nullstellungskraft und hydraulisch erzeugter Nullstellungskraft.

In Fig. 1 ist eine Nullstellunsgeinrichtung nach dem Stand der Technik mit rein mechanischer Erzeugung der Nullstellungskraft dargestellt. Die Kolben-Zylinder- Einheit 1 besteht aus dem Stellkolben 2, welcher in dem Stellzylinder 3 von seiner in der Zeichnung dargestellten Nullstellung N in beide Axialrichtungen in jeweilige Auslenkstellungen A, A' ausgelenkt werden kann. Dazu wird eine Kolbenfläche des Stellkolbens 2 mit dem Durchmesser D mit einem Stelldruck beaufschlagt. Der Stellkolben weist ferner eine Anlenkung 9 auf, mittels welcher die Auslenkung auf eine zu betätigende Schrägscheibe übertragen wird. Im Innern des Stellkolbens 2 sind zwei Druckspiralfedern als Nullstellfedern 7, 8 eingebaut, die den Stellkolben 2 von seinen Auslenkstellungen A, A' in seine Nullstellung N zurück bewegen. Die Druckkräfte werden durch eine mit dem Stellzylinder 3 verschraubte Stange 10 auf den Stellkolben 2 übertragen. Dies ist ein Beispiel für bekannte Nullstellungseinrichtungen, die im Zusammenhang mit Hydrostaten bisher zum Einsatz kommen.

Fig. 2 ist zeigt eine Draufsicht im Schnitt von einer Kolben-Zylinder-Einheit die im wesentlichen der aus Fig. 1 entspricht, wobei hier eine erfindungsgemäße Nullstellungeinrichtung vorgesehen ist. Auch hier ist der Stellzylinder 2 in seiner Nullstellung N zentriert dargestellt. Wird über die Zuleitungen 11, 12 ein Stelldruck dem Kolben zugeführt, so bewegt er sich in seine jeweilige Auslenkstellung A, A', aus der er jedoch hier über eine hydraulische Nullstellungskraft zurückbewegt wird. Dazu sind im Innern des Stellkolbens 2 Nullstellungskolben 4 vorgesehen, welche mit einem hydraulischen Nullstellungsdruck betätigt werden. Dafür sind im Stellkolben 2 und im Stellzylinder 3 seitliche Öffnungen 13 vorgesehen, über welche zum Beispiel durch Anschluß der Speisepumpe ein Nullstellungsdruck im Innern des Stellkolbens geleitet wird. Die Nullstellungskolben 4 sind verschiebbar auf einer Stange 10 gelagert. Durch Zusammenwirken der Stange 10 der Nullstellungskolben 4 mit den Kolbenflächen mit dem Durchmesser d des Nullstellungskolbens 4 wird der Stellkolben 2 in seine Nullstellung N gebracht. Der Nullstellungskolben 4 ist mit einer als Druckspiralfeder ausgebildeten Rückstellfeder 6 vorbelastet, die dem Nullstellen des Stellkolbens 2 in drucklosem Zustand dient. Dementsprechend weist die Rückstellfeder 6 nur eine geringe Federkraft auf. Der Hauptanteil der Nullstellungskraft wird jedoch hydraulisch erzeugt, um einen Anstieg der Nullstellungskraft mit zunehmender Auslenkung möglichst zu vermeiden (siehe hierzu auch Fig. 4a und 4b). Zwischen dem Nullstellungskolben 4 und dem Stellkolben 2 sowie zwischen dem Stellkolben 2 und dem Stellzylinder 3 sind Dichtungselemente 14, 15, 16 vorgesehen, die der Trennung der Druckbereiche von dem Hydrostaten 1 und der Nullstellungseinrichtung dienen. Die Stange 10 des Nullstellungskolbens 4 weist an ihrem zylinderseitigen Befestigungsende einen Gewindeabschnitt mit Einstellmuttern 17 und Kontermuttern auf, über welche die Nullstellungsposition N des Stellkolbens 2 einstellbar ist.

Fig. 3 zeigt die Kolben-Zylinder-Einheit aus Fig. 2 in der Auslenkstellung A, bevor die Nullstellungseinrichtung betätigt wird. Obwohl die Zuleitungen 13 für die Zuleitung des Nullstellungsdruck zum Nullstellungszylinder 4 relativ zueinander versetzt sind, kann über die zu einer Längsnut oder Umfangsnut erweiterte Öffnung 13 auf der Innenseite des Stellzylinders 3 die Druckzufuhr zum Nullstellungskolben 4 erfolgen. Im übrigen gilt das zu Fig. 2 Ausgeführte hier entsprechend.

Aus den beiden Diagrammen gemäß Fig. 4a und 4b wird deutlich, wie sich die Nullstellungskraft bei einer Nullstellungseinrichtung nach der Erfindung auf vorteilhafte Weise zusammensetzt gegenüber einer rein mechanisch erzeugten Nullstellungskraft. Während bei einer rein mechanisch mit gängigen Nullstellfedern erzeugten Nullstellungskraft (Ordinate in Fig. 4a) diese mit zunehmender Auslenkung des Hydrostaten (Fig. 4a Abszisse) deutlich ansteigt, bleibt bei der Nullstellung gemäß der Erfindung die Nullstellungskraft auch bei einer starken Auslenkung annähernd gleich (Fig. 4b). Lediglich der sehr geringe Kraftanteil der Rückstellfeder für die drucklose Nullstellung läßt die Nullstellungskraft leicht ansteigen. Damit ist klar ersichtlich, daß ein wesentlicher Vorteil der Erfindung in der Reduzierung der erforderlichen Nullstellungskraft liegt.

Claims (10)

1. Nullstellungseinrichtung für eine hydrostatische Kolben-Zylinder-Einheit (1) mit einem doppeltwirkendem Stellkolben (2), welcher innerhalb eines Stellzylinders (3) von mindestens einer Auslenkstellung A in eine vorbestimmte Nullstellung N mittels einer Nullstellungskraft rückstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellungskraft mindestens teilweise hydraulisch erzeugt wird.

2. Nullstellungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellungskraft hydraulisch und federmechanisch erzeugt wird.

3. Nullstellungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellungskraft durch den Speisedruck einer Speisepumpe in einem hydraulischen System erzeugt wird.

4. Nullstellungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nullstellungskolben (4) vorgesehen sind, welche verschiebbar auf einer Stange 10 sind, die mit dem Stellzylinder (3) fest verbunden ist und mit dem Stellkolben (2) so hydraulisch zusammenwirkt, daß bei Zuführung eines Nullstellungsdruckes der Stellkolben (2) in die Nullstellung gebracht wird.

5. Nullstellungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullstellungskolben (4) im Stellkolben (2) integriert ist und über eine Stange (10) mit dem Stellzylinder (3) verbunden ist.

6. Nullstellungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Stellkolben (2) und im Stellzylinder (3) Druckleitungen oder Zuführöffnungen für den Nullstellugsdruck vorgesehen sind.

7. Nullstellungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückstellfeder (6) mit einer abgestimmten Federkonstante vorgesehen ist zum Nullstellen des Stellkolbens (2) bei drucklosem Zustand.

8. Nullstellungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellungsposition des Stellkolbens (2) einstellbar ist.

9. Nullstellungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Kolbenflächen des Nullstellungskolben (4) auf eine maximal erforderliche Nullstellungskraft abgestimmt sind.

10. Nullstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullstellungsdruck auf eine maximal erforderliche Nullstellungskraft abgestimmt ist.