用于控制容积变化的方法和液压机械 【技术领域】
本发明涉及在一种具有一个换向装置和具有流体流过的、由容积变化装置(Verdraengereinrichtung)所构成的膨胀和收缩的压力腔的液压机械中用于控制容积变化(Verdraengung)的方法。
本发明同样也涉及一种液压机械，其中可以应用按照本发明的方法。
背景技术
概念“液压机械”包括有泵和液压马达，其中都按照容积变化原理(Verdraengerprinzip)来实现一种流体的静压功率转换。这些机器因而也称为容积式机器(Verdraengersmaschine)。在容积变化原理中使产生体积流所必需要的空间在液压机械内部在一个作用时间间隔内变小并又重新又加大。
按作用原理液压机械区分为旋转机械和活塞机械。在旋转机械中流体的输送过程在圆周方向上进行。作为容积变化元件例如应用了齿轮或阻塞物体。相反活塞机械具有活塞状的容积变化元件，该元件进行一种直线运动，使流体产生容积变化。
本发明涉及所有类型的液压机械，以下根据一种旋转机械加以说明。
在EP 1045147 A2中描述了一种按容积变化原理的液压机械，它通过压力腔几何形状随时间的变化，用不同大小的、在一个齿轮圈和一个偏心旋转的齿轮转子之间的作用面在一个工作轴上产生转矩。正常运行时当轴以高的转矩慢慢转动时，流体入口与所有地膨胀的压力腔连接，而所有压缩的压力腔则与流体出口相连。以低转矩快速运行时结构上引起流体的再循环，其中从所述压缩的压力腔里流出的流量返回进入一些膨胀的压力腔。这可以通过使一个通道板上的阀芯进入两个位置中而实现。在阀芯的一个第一位置上压力腔打开着并且流体可以再循环，而在一个第二位置上所有的压力通道被阀芯关闭住，因而不可能有再循环。
再循环引起了在液压机械中当通过液压机械的流量保持相同时容积变化的减小。从慢速运转至快速运转的过渡可能发生在一个步骤里，或者如果再循环的流量并不通过一个换向板而是通过一个控制板来引导的话，那就发生在一个中间步骤里。
在US 4 493 622中描述了一种液压机械，它根据一个工作轴上的载荷来控制。该液压机械设计成容积式马达并具有一个或多个齿轮组。在一个齿轮圈和一个马达外壳之间在圆周上是自由空间，其中装有机械弹簧。如果液压机械处于一种具有低转矩的状态下的话，那么液压机械的容积变化最小。当液压机械的工作轴上的载荷变大时压力腔中的压力就提高，这些压力腔对着流体入口。这就使转矩提高，该转矩既作用到一个齿轮转子上也作用于一个齿轮圈上。若此转矩超过了在齿轮圈和外壳之间的自由空间里的弹簧的张力的话，那么就使弹簧压缩，而且齿轮圈引起一种旋转限制的运动。通过齿轮圈的这种运动提高了液压机械的容积变化，并因此同样也提高了驱动轴上的转矩。
在目前已知的用于控制容积变化的方法中，都在液压机械里出现压力波动。
【发明内容】
发明的任务是提出一种方法和一种液压机械，用它们来控制液压机械中的容积变化，以使压力波动较较小。
该项任务用开头所述类型的方法如下来解决：所述液压机械具有一组装置，属于此装置的有一个换向装置和至少两个容积变化装置，其中所述装置中的至少两个被相互相对地调整。
在发明中至少三个装置-即一个换向装置和至少两个容积变化装置，它们相互与压力腔连接，它们相互相对地对齐。有各种不同的方法用于调整这些装置。例如可以使所有装置都相互相对地调整。也可以使一个或多个装置不进行调整，而使所述装置中的至少两个相互相对地进行调整。当有两个容积变化装置时，可以调理所述容积变化装置中的两个，而并不调整换向装置。也可以只调整一个容积变化装置和所述换向装置。当有多于两个容积变化装置时，也可以考虑调整至少两个容积变化装置的几个，而且也调整该换向装置或者使其保留在其初始位置上。调整这些装置是为了能够控制液压机械内部中的容积变化。利用这种调整使液压机械里瞬时的不希望的压力波动保持较小。
特别优选的是，使各个不同的容积变化装置的相互相关的压力腔的容积变化之和随时间的变化与具有换向装置的配属部位的随时间的压力变化相位相同。这两种随时间的变化的相位相同性意味着：相互符合的容积式装置共同的压力体积从一个收缩的工作相位至一个膨胀的工作相位、同样从一个膨胀的工作相位至一个收缩的工作相位的过渡时刻分别与换向装置部位上最小通流有效截面的一个时刻重合，该换向装置配属于容积式装置的压力腔。此处避免了在液压机械中的力，该力否则的话由于容积式装置的随时间的大的容积变化而在换向装置的配属部位上有同时间的最小的通流有效截面时产生。因此可以设计一个最小有效通流截面，使该截面是关闭的并且没有流体流过。
特别有利的是：各个不同的容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化之和随时间的变化以相同的频率发生，如同换向装置的配属部位随时间的压力变化那样。如果压力变化曲线与容积变化之和的变化曲线具有相同的频率，那么从膨胀工作相位至收缩工作相位的所有过渡和相反的过渡与换向装置的所有随时间的最小通流有效截面相重合，该换向装置配合于各个不同的容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化之和。在这种方法中总是利用了这个时刻换向装置的最小有效通流截面，以便在变换工作相位时实现少受力的过渡。
以更有利的方式规定了：容积变化随时间的变化曲线与各个不同容积式装置的相互相应的压力腔相位不同。对于上述特征来说也可以使相互相应的压力腔的容积变化之和按如下来实现：例如形成了两个相互相应的压力腔之和随时间的变化曲线，这些压力腔是频率相同的，但其相位却不同。通过构成容积变化随时间的和使容积变化的最大值同时间地相加，液压机械必须为此而设计。与此相反在这种变型方案中则建议：使各个不同容积式装置的互相相应的压力腔的容积变化随时间的变化曲线相位不同，因而当容积与在以前的变型方案中相同时所述随时间的总和就得出一个较小的最大值，并且使液压机械中的压力波动还要更小。
更加优选是，使各个不同的容积式装置的相互一致的压力腔的容积变化的最大值以数值相同地产生。各个不同的容积式装置的相互一致的压力腔的容积变化之和随时间的变化曲线按此方式具有一个规则的形状。这对于在液压机械内部中一种均匀的随时间的压力变化曲线产生积极的作用。
也特别优选的是，使一个压力腔的容积变化的最大值在一个膨胀的和一个收缩的工作相位时数值相等地被产生。这意味着：压力腔被均匀地加载。这例如发生在当收缩工作相位上压力腔的最大容积等于在膨胀工作相位上同一个压力腔的最大容积时。
在一种旋转机械中，优选地使至少两个装置的至少各一个元件旋转地在圆周方向上相互相对地用不同的转角来调整。
可调整的元件例如可以是容积式装置的齿轮圈和一个换向装置的通道板或控制板。为了控制容积变化，因此使不同装置的至少三个元件相互相对对准，其中所述元件中的至少两个用不同的转角来调整。一个转角通过其转动方向和其角度值来描述。因此例如可以使所述元件中的至少两个具有一个数值相等的转角，但在不同的方向上旋转。也可以使至少两个元件在相同的方向上旋转。当所有调整元件处于相同转向时，至少一个元件具有一个不同的转角值，因此即使这里也使至少两个元件以不同的转角进行调整。
在一种旋转机械中最好使换向装置相对其换向轴线、使容积式装置相对其各自的偏心轴线分别通过一个转角来调整，其中换向轴线和偏心轴线在其起始位置上谐调一致。一个容积式装置的偏心轴线垂直于流体的流动方向，并将膨胀的压力腔部位与收缩的压力腔部位分开。换向装置的换向轴线将产生换向装置的高压的部位与换向装置的与此同时正好几乎不或者不产生压力的部位分开，因为它例如正好与流体出口相连接。
最好使偏心轴线反比于容积式装置的容积变化比例反向于调整方向来调整。如果齿轮组具有不同的容积变化，那么这种设计方案则是特别有利的。这可以例如在齿轮组有不同的直径时、或者在压力腔有不同构造时出现。如果例如有两个齿轮组时，而且第二齿轮组具有与第一齿轮组相比加倍的容积变化，那么就使第一齿轮组例如调整+10°，使第二齿轮组调整-5°。当第一个齿轮组与第二个齿轮组相比有四倍的容积变化时，就使第一齿轮组例如在一个方向上调整+2.5°，而使第二齿轮组在相反方向以-10°的角度调整。所述容积变化也可以用换向装置与调整的容积式装置相结合地来进行控制。
使换向轴线更为优选地从其起始位置调整被调整的偏心轴线的所有转角之和的一半。在这种实施变型方案中，使液压机械内部的容积变化特别有效地得到控制，以阻止压力波动。此变型方案对于一种旋转机械来说例如规定：将一个齿轮圈相对于其一个容积式装置的偏心轴线从其起始位置起转动一个转角，并使另一个齿轮圈相对于其第二容积式装置的偏心轴线同样也从其起始位置起在相反方向或相同方向上转动一个转角。如果这两个齿轮圈的转动角度的数值相等而且齿轮圈在相反方向上转动，那么换向装置相对于其换向轴线的转角为零，而且它因此保持其起始位置。但如果这两个齿轮圈在相同方向上旋转的话，那么就需要对换向装置进行调整，以实现所建议的实施变型方案。当有大于两个被调整的齿轮圈时同样也可以遵守所述调整的条件。此处也可以使一个或多个齿轮圈不作调整并且也作成不可以调整的。在对两个以上的齿轮圈进行相应的调整时出现了其它的情况，其中换向装置的转角为零，而且换向装置或者没有被调整、或者甚至设计成不能进行调整的。
更加优选地用一种调整机构来调整这些装置。一个调整机构可以从外面作用到这所要调整的装置上。此处可以使所要调整的装置用机械的、液压的、电的或类似的方式进行控制，以便实现调整运动。
本发明的任务也通过一种开头所述类型的液压机械按如下来解决：该机械具有一组装置，属于此装置的有一个换向装置和至少两个容积式装置，其中所述装置中的至少两个可以用一个调整机构相互相对地进行调整。所述液压机械的结构应使例如两个容积式装置可以相互相对地进行调整，而且所述换向装置是不可以调整的。也可以是只能调整一个容积式装置和换向装置。因此使至少三个装置相对对准，其中至少两个装置是可以调整的。如果在液压机械里有两个以上的容积式装置，那么就可以考虑使所有组合在以下先决条件下进行调整：所述装置中的至少两个-换向装置和容积式装置设计成可以调整的。如果例如两个以上的装置设计成可以调整的话，那么此处就不必对所有可调的装置进行调整了。
在一种实施变型方案中所述调整机构具有机械的、液压的、电的或磁的机构。这些机构可以结构紧凑地安装，并且在液压机械中已经部分存在了。一个液压机械可以具有多个调整机构。
在简单实用的实施形式中，调整机构具有机械的操纵元件。机构的操作元件例如可以是凸轮或者相互啮合的几何图形元件。这些元件可以以特别有利的方式被使用，如果例如在一种旋转式机械中，在一个容积式装置的一个齿轮圈的圆周上具有相应的几何形状，它们与机械的调整机构相连接的话。调整机构那么可以位于一个或多个可调整元件和流体机构的外壳之间。
至少两个位于所述装置的一个可调元件和所述装置的一个固定构件之间的自由空间最好可以用液压介质(hydraulische Mittel)来加载。例如在旋转机械中所述液压介质可以在位于一个容积式装置的一个内齿轮圈和一个外齿轮圈之间的自由空间里起作用，以便引入一种调整运动。在换向装置上液压介质同样也可以容易地用作为调整方案，其方法是在那里设有自由空间，该自由空间与液压作用的调整机构相连接。
特别优选的是，使所述装置可以无级地进行调整。一种无级的调整可以使液压机械上的轴的转速连续地变化。用一种无级调整机构因此加宽了液压机械的转速范围。按照机械的观点用一种无级的调整机构也是有利的，因为当转速改变时所要求的机械构件比调整位置发生突然变化时要少。
在一种设计成旋转机械的液压机械中，特别优选的是使它具有一个换向装置和至少两个齿轮组，该齿轮组各有一个齿轮和各有一个齿轮圈，其中换向装置和至少两个齿轮圈形成一组元件，其中所述元件中的至少两个在圆周方向上的旋转可以用调整机构相互相对地进行调整。通常为固定的齿轮圈可以在这种实施变型方案中限制转动地进行运动。这意味着：它们可以调整一个小于360°的扇形段。
齿轮组的容积变化的比例最好反比于被调整的齿轮圈的反向方向上的转角。例如如果液压机械有两个齿轮组，其中第一齿轮组比第二齿轮组的容积变化增加了一倍，那么例如第一齿轮组的齿轮圈在所述一个方向上可以调整-5°，而第二齿轮组的齿轮圈在相反方向上可以调整+10°。所述容积变化也可以用换向装置与调整的容积式装置的相结合来控制。
换向装置最好可以转动被调整的齿轮圈的所有转角之和的一半。换向装置的调整取决于齿轮圈的转角或者也取决于多个齿轮圈的转角。例如可以考虑使两个齿轮圈在相反的转动方向上以一个数值相等的角度进行调整。因为两个转角之和由于它们不同的符号就得到零，因此在这种情况下不必使换向装置可以旋转。
在另一种情况下，如果例如使两个齿轮圈在相同的方向上以相同的转角进行调整的话，那么所述通道板就应该可以在相同方向上调整这两个角度之和的一半，在这情况下也就是正好调整换向装置的转角。所述两个齿轮组，它们的齿轮圈转动相同一致，那么在此情况下其作用就象一个具有较大的轴向伸长的齿轮组。
在例如有四个齿轮组时，也可能使所述齿轮圈中的两个在一个旋转方向上可以调整，而另外两个齿轮圈可以在相反的旋转方向上调整。如果对第一齿轮圈的转角例如为+5°，对第二齿轮圈为-5°，对第三齿轮圈为+10°，对第四齿轮圈为-10°，那么通道板的转角为0°。这意味着：该通道板不必设计成可调的。对于液压机械内部中的流动性能来说有利的是：如果如同在此例中，齿轮圈可以交替地在正的和负的方向上进行调整的话。但这并不是强制性必需的。当液压机械里有两个以上的齿轮组时，也可以考虑使一个或多个齿轮组不可以在液压机械内部中的任意位上进行调整。
在本发明的一种特别简单实用的实施形式中，在至少一个具有一个外齿轮圈和一个内齿轮圈的齿轮圈里设置有自由空间。对于至少两个可以控制的自由空间来说，可以在相反转动方向上在一个齿轮圈上进行调整。当控制一个自由空间时所述可调整的齿轮圈形成一个压力，该压力使例如可以运动的内齿轮圈在一个旋转方向上旋转。当控制一个例如对置的自由空间时，所述液压介质引起了在相反旋转方向上的调整。
以更有利的方式规定了：所有装置都可以用一个唯一的调整机构来调整。因此可以按简单方式使调整运动同步进行。当只使用一个调整机构时也有结构上的优点，那就可以例如有效地利用有限的空间比例。
【附图说明】
以下根据优选的实施例结合附图对发明进行详细叙述。此处附图所示为：
图1：一个容积式装置的一个压力腔的容积随时间的变化曲线(技术背景)；
图2：配属于图1中压力腔的换向装置的部位的有效通流截面随时间的变化曲线(技术背景)；
图3：配属于图1所示压力腔的换向装置的部位上的压力随时间的变化曲线(技术背景)；
图4：各个不同的容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化之和随时间的变化曲线；
图5：配属于图4中压力腔的换向装置的部位的有效通流截面随时间的变化曲线；
图6：配属于图4中压力腔的换向装置的部位上的压力随时间的变化曲线；
图7：按图4的容积变化之和随时间的变化曲线和各个压力腔的容积变化随时间的变化曲线；
图8：具有两个容积式装置和一个换向装置的一种液压机械；
图9：一种可调整的通道板作为换向装置；
图10：一种可调整的齿轮圈；和
图11：一种机械式调整机构的一个实例。
【具体实施方式】
以下按一种液压机械1来叙述发明的原理，该液压机械设计成旋转机械并具有齿轮组2、3形式的容积式装置。图1至3表示了涉及由技术背景就已知的在旋转机械内部的过程的随时间的变化曲线。所用的旋转机械此处具有一个唯一的有六个齿的齿轮，该齿轮随机器的轴而转动，因此齿轮的每个压力腔的容积变化过程在轴转动角度为60°(360°∶6＝60°)之后重复进行。
图1表示了容积式装置的一个压力腔G1a的容积变化V随时间的变化曲线。在随时间变化的曲线里有两个范围。在第一个范围里从0°至30°，压力腔收缩作用，流体流入到该压力腔里。在转角的第二个范围内中从30°至60°，压力腔为膨胀作用，流体从该压力腔里又流出来。当转角为大约30°时压力腔具有其最大的容积。
图2表示了配属于图1中压力腔的换向装置G2a的有效通流截面A随时间的变化曲线。通常在曲线G1a(图1)和G2a(图2)的随时间的变化曲线之间有一个相位差。在所示实施中相位差约为1°。由于这种相位差在液压机械内部中就产生压力波动，这种波动与随时间的压力变化曲线叠加。
图3表示了合成的压力变化曲线G3a，容积式装置的压力腔就有这种压力变化，而且这种压力变化由换向装置规定。在此实例中流体入口处的压力P为130巴，而在流体出口处为0巴。压力变化曲线G3a由换向装置的随时间的压力变化曲线和不希望的压力波动组合而成，这种压力波动由于图1和2的所述两条随时间的变化曲线G1a和G2a的相位差而形成的。
与技术背景(图1至3)相比，图4至6表示了按本发明的方法的原理。图4表示了当液压机械中只有一个齿轮组时容积变化V随时间的变化曲线，如前面在图1中所描述的那样。按照本发明，液压机械具有至少两个容积式装置。在此情况下图4表示了各个不同的容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化G1b之和随时间的变化曲线。该和是一种计算值并根据图7继续在下面加以说明。
图5同样如图2那样表示了换向装置的有效通流截面G2b随时间的变化曲线。但在这种情况下换向装置的配合于容积式装置的有效通流截面匹配于容积变化之和的随时间变化曲线。与背景技术相比，图4中的随时间的变化曲线G1b和图5中的随时间变化曲线G2b相位相同。在这种情况下通过容积式装置的所有相互相应的压力腔之和引起的从一个收缩工作相位至一个膨胀工作相位的转变则与换向装置的配合的有效通流截面为最小的时刻相吻合。
图6表示了合成的压力变化曲线G3b，容积式装置的相互相应的压力腔进行这种变化。与图3曲线G3a相比，在相同的参数下按照曲线G3b就避免了液压机械内部的不希望的压力波动。压力变化G3b的所测得的曲线几乎可以认为作为跳跃函数的理论曲线G3c的理想形式。压力变化G3b对于机器的效率和寿命都起到正面的作用。由于机器里的压力波动小，就改善了稳定运行时的转速稳定性和转矩稳定性。同样用这方法与背景技术中的方法相比也改善了起动转矩。这是由于对不同步的换向进行了修正。
由图7可见，如何产生出各个不同的容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化之和。曲线G1b已由图4、而曲线G3b已由图6经知道了。曲线G1c表示了一个第一容积式装置的一个压力腔的容积变化随时间的变化。相应地曲线G1d表示了一个第二容积式装置的一个与第一压力腔相应的第二压力腔的容积变化随时间的变化。曲线G1b由曲线G1c和G1d相加而得。这样来选择所述随时间的变化曲线G1c和G1d，使曲线G1b与时间的曲线G3b在相位和频率上都相同。这意味着：各个容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化随时间的变化是可以相互移动相位的。在本实施中相对于换向装置的曲线G3b而言，曲线G1d超前10°，而曲线G1c则滞后10°。各个容积式装置的相位移动借助于一个调整机构在第一和第二容积式装置上进行调定。如果在另外一种使用场合要调整换向装置，那么就使曲线G3b移动。这同样也可以这样来进行调定，使曲线G1b和G3b重新又相互同相位。当多于两个容积式装置时曲线G1b相应地由容积式装置的相互相应的压力腔的容积变化随时变化的相加而得出。
图8表示了一种作为旋转机械的液压机械1，它有两个容积式装置，它们设计成齿轮组2、3。
齿轮组2、3具有齿轮转子4，5，它们通过一个万向节轴6相互连接并因此在相同的旋转方向上转动。这两个齿轮转子4，5驱动一个轴7，该轴与一个齿轮转子4连接。在齿轮转子4，5和齿轮圈9、10之间就形成了压力腔，它们的几何形状随时间通过偏心旋转的齿轮转子4，5而发生变化，其中膨胀的压力腔与一个流体入口相连接，而压缩的压力腔通过一个通道板11形式的换向装置与一个流体出口相连接。
在图9中的通道板11里通道12的数量对应于一个齿轮组的压力腔数量，其中压力腔的数量对于所有齿轮组来说是一样的。在齿轮组之间流体可以自由地流动。通道板11可以相对于其几何中心点13旋转受限地进行调整。长孔14就用于此。但也可以考虑其它的措施，例如压紧弹簧或者液压介质。
图10表示了一个齿轮圈9、10。齿轮圈9、10通过固定的销钉8固定住，并由一个外齿轮圈9a或10a和一个内齿轮圈9b或10b组成。齿轮圈9、10可以相对于一个外壳15相对于其几何中心点16旋转地有限地进行调整。这可以通过位于外齿轮图9a或10a和内齿轮圈9b或10b之间的自由空间17来实现。当调整齿轮圈9、10时重要的是：内齿轮圈9b或10b运动，以便能够使位于内齿轮圈9b或10b和齿轮转子4或5之间的流过流体的压力腔发生变化，以便这样能够控制液压机械里的容积变化。
可以用一个调整机构旋转地调整至少两个元件：通道板11和齿轮圈9、10。第一种措施在于调整所述两个齿轮圈9、10，而不调整通道板11。同样也可以只调整一个齿轮圈、例如9以及附加地调整通道板11。也可以调整这两个齿轮圈9、10和附加地调整通道板11。
用一个液压调整机构可以用一种压力介质对可调整的装置加载，使它们执行一种调整运动。此处例如控制一个或多个自由空间17，对于一个转动方向来说；并且一个或多个对置的自由空间17用压力加载，用于一个相反的旋转方向。这种控制可以同时应用于一个相反的旋转方向。这种控制可以同时应用于多个装置，其中既可以是同方向的，也可以是反方向的调整运动。对于一种液压调整机构来说可以在该装置上实现两种调整位置。因此这种调整机构适用于一种具有两个转速的工作方式的液压机械。用一种对液压介质的很精细级的调节，例如用一个伺服调整机构也可以连续地调节容积变化，从而使所述液压机械可以使用在避免瞬时的压力波动时的一个连续的转速范围内。
如果机械的调整机构有一种无级的连续的调整方案，那么对于一种例如具有凸轮或者相互啮合的构件的机械调整机构来说，除了一种具有两种转速的工作方式之外还可以使工作方式扩展增加中间范围。图11简明表示了一个这样的例子。此时只简单表示出了两个齿轮圈9、10。没有表示出在外齿轮圈9a和10a与内齿轮圈9b和10b之间的内部构造的区别。在此图中也没有齿轮转子4，5。借助于一个在液压机械的外壳15里导向的导向销钉22，使两个齿轮圈9、10同时地在相反方向上转动。销钉22插入在一种几何图形构造里，其形状为一种在圆周方向上倾斜的、位于外齿轮圈9a或10a的长度上的纵向凹槽23或24。所述转动可以连续地进行，并且允许有增量的中间步骤，因而用这调整方案就可以实现连续的转速变化，而且可以用两种以上的转速驱动液压机械。