阅读说明：本技术 无伺服马达、液压活塞单元及其控制方法 (Servo-free motor, hydraulic piston unit and control method thereof ) 是由 史蒂文·李格 斯蒂芬·弗兰茨 杰弗里·C·汉塞尔 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种无伺服马达、液压活塞单元及其控制方法。液压活塞单元包括用于驱动驱动轴或由驱动轴驱动的旋转组,并且具有可倾斜的位移元件,用于在最小或最大位移之间调节旋转组的位移容积,其中,在肾脏入口和肾形出口之间的阀段上在可往复运动的工作活塞的相应死端位置处,第一和第二控制端口与缸体中的缸孔流体连接,用于控制位移元件的位置。液压活塞单元还包括控制阀,该控制阀具有可转换的控制阀阀芯,该阀芯通过高压端口流体连接到液压活塞单元的高压侧。控制阀阀芯被配置成将液压流体从高压侧传导到第一或第二控制端口中的一个。(The application provides a servo-free motor, a hydraulic piston unit and a control method thereof. The hydraulic piston unit comprises a rotary group for driving or driven by a drive shaft and has a tiltable displacement element for adjusting a displacement volume of the rotary group between a minimum or maximum displacement, wherein on a valve section between a kidney inlet and a kidney outlet at respective dead end positions of a reciprocatable working piston, a first and a second control port are in fluid connection with a cylinder bore in the cylinder for controlling the position of the displacement element. The hydraulic piston unit also includes a control valve having a switchable control valve spool fluidly connected to the high pressure side of the hydraulic piston unit through a high pressure port. The control valve spool is configured to conduct hydraulic fluid from the high pressure side to one of the first or second control ports.)

无伺服马达、液压活塞单元及其控制方法

技术领域

本发明涉及具有用于调节液压单元的位移容积的位移元件的液压活塞单元。本发明特别涉及斜盘的液压轴向活塞单元和弯曲轴结构类型。然而，本发明也适用于液压径向活塞单元或叶片泵和马达。在本发明的意义上，术语液压活塞单元覆盖液压活塞泵以及液压活塞马达。在特定实施例中，本发明涉及两个位置液压轴向活塞单元，其中位移元件可定位在两个端部位置之间，用于将液压轴向活塞单元的位移容积调节到最大值或最小值。尽管本发明以具体具有斜盘结构类型的轴向活塞单元的轴向活塞单元的示例进行描述，但是给定的示例可由具有与所有上述类型的液压活塞单元相关技能的人员转换。

背景技术

在现有技术中，液压活塞单元的位移容积通常借助于具有伺服缸和可动伺服活塞的伺服单元来调节，伺服活塞在伺服缸中的位置最终确定液压活塞单元内的旋转组的位移容积。这种伺服单元构成单独的组件组，尤其是在两个位置的液压活塞单元中，这导致成本增加并消耗结构空间。此外，这种伺服单元经受磨损或其他可能的故障，这可能导致整个液压活塞单元的不可操作性。此外，每个缸活塞单元都显示出一定的泄漏，这种伺服单元也是如此。

发明内容

因此，本发明的目的是简化液压活塞单元的位移容积的调节和控制装置，以克服现有技术的不足。因此，本发明的液压活塞单元应包括较少的部件，用于执行对位移容积的控制。液压活塞单元应该更容易且更经济地制造，特别是在组装时更简单。

本发明的目的通过一种液压活塞单元解决，该液压活塞单元具有用于驱动驱动轴或由驱动轴驱动的旋转组。液压活塞单元还包括位移元件，该位移元件可相对于驱动轴的旋转轴线在第一端部位置和第二端部位置之间倾斜。根据位移元件的倾斜角度，在最大或最小位移容积之间调节旋转组的位移容积。在缸体内，工作活塞可往复移动地安装在缸孔中，用于将液压流体从阀段的肾形入口端口输送到肾形出口端口。在本发明的意义上，旋转组件至少包括其中具有可往复运动的工作活塞的缸体以及驱动轴或从动轴，并且在缸体的下端处包括具有前述肾形入口端口和出口端口的阀段。在斜盘结构类型的液压活塞单元的情况下，斜盘也形成旋转组的一部分，因为活塞头通常借助活塞靴固定在斜盘上。然而，这些活塞靴设计成在面向缸体的斜盘表面上滑动。此外，在这些液压活塞单元的情况下，斜盘和阀段位于缸体的相对侧上。类似地适用于弯轴结构类型的液压活塞单元；然而，在这种情况下，活塞头直接固定在球形接头中的驱动轴上，以允许缸体相对于驱动轴的旋转轴线弯曲。

本发明的液压活塞单元包括第一控制端口和第二控制端口，其定位在入口端口和出口端口之间的阀段上、在可往复运动的工作活塞的相应死端位置处，与缸孔流体连接。这样，这两个控制端口之间的液压流体压力差和缸孔中的液压流体压力决定了位移元件的倾斜角度，并最终确定了液压活塞单元的位移容积。

本发明的液压活塞单元还包括具有可转换的控制阀阀芯的控制阀。控制阀通过高压入口连接到液压活塞单元的高压侧，并且能够将液压流体从高压侧引导到阀段处的第一和第二控制端口中的一个。由此，一个控制端口在工作活塞的一个死端位置处被供给高压液压流体，在工作活塞运动的另一个死端位置的另一个控制端口处存在低压，例如罐或壳体压力。根据本发明，高压作用在穿过控制端口的工作活塞上，以将工作活塞沿缸孔向外推动。这迫使位于缸体相对端的位移元件相对于缸体的旋转轴线偏转或垂直定向，从而限定位移容积。因此，根据本发明，工作活塞满足移动位移元件的功能，该位移元件在现有技术的液压活塞单元中通过上述附加伺服单元完成。

在液压活塞单元领域中，位移元件至少在其初始的第一端部位置中优选地通过弹力保持，该弹力优选地由弹簧等引起，以抵靠止挡件，这是本领域的常识。在其他角度位置可以通过偏转力之间的力平衡-这里由工作活塞在通过相应的上死端和下死端处的控制端口时执行-以及朝向初始第一位置的方向作用的弹力来获得。特别是对于两个位置的液压活塞单元，位移元件的第二端部位置由第二止挡件提供，位移元件可以其最大或最小偏转/倾斜角度抵靠该第二止挡件。应该容易理解的是，位移元件也可以定位在最大和最小倾斜角之间的中间位置，例如通过随倾斜角度变化的弹性或液压力。

例如，在一个实施例中，其中液压活塞单元的初始设定的位移容积处于其最小值，即位移元件处于其空档或零位置并且位移元件的倾斜角等于零，只要控制阀的控制阀芯没有转换出其初始位置，就可以将位移元件保持在该位置，在该初始位置，高压下的液压流体被引导到第一控制端口。在该示例性情况下，随着传导到阀段上的第一控制端口的压力减小，液压活塞单元的位移容积随着控制阀阀芯的位移而增加，并且引导到第二控制端口的压力随着控制器阀芯的位移而增加。这将持续，直到高压下的液压流体仅被引导到第二控制端口。在那个时刻，对于该实施例，位移元件处于其最大位移，即处于其最大倾斜角度。然而，应该容易理解的是，这个例子也可以反过来进行而毫无困难。

在本领域中已知的使用伺服单元调节位移容积的基本上所有液压活塞单元应用中，可以替代地应用本发明的液压活塞单元。因此，本公开也涵盖所有这些可能性。然而，与现有技术解决方案不同，本发明提供了具有较少部件的液压活塞单元，因为不再需要伺服单元，并且出于相同的原因提供消耗较少结构空间的较小液压活塞单元。因此，仅通过控制控制阀中的控制阀阀芯的位置就可以完成对位移容积的控制，该控制阀在简单的实施例中可以是三通/两位阀。

由于本发明仅影响位移元件在其定位中定位和控制的方式，所以根据本发明的液压活塞单元可以在马达模式以及泵模式下操作，在本发明的液压活塞单元应用于闭合液压回路的情况下包括相关联的推进和拖曳模式。

在基本实施例中，本发明的液压活塞单元具有两位置构造类型，即，仅可选择最小位移和最大位移。在这种情况下，控制阀也仅是双位阀，其将液压流体传导到第一控制端口或第二控制端口。在这种情况下，通过将控制阀从第一位置切换到第二位置，反之亦然，液压活塞单元将其位移从最大值改变到最小值，反之亦然。应该容易理解的是，控制阀阀芯以及液压活塞单元也可以被调节在中间位置，并且也可以越过位移元件的“零”位移而进行调节。使得最大位移的绝对值可以与最小位移一样大，只有前置符号改变，即输送方向，或推进模式改变为拖曳模式。

因此，根据本发明，控制阀可以是双位阀以及比例阀。在控制阀是比例阀的情况下，旋转组的位移也可以成比例地调节。在此，控制阀的控制可以优选地通过由控制单元命令的致动器装置来完成。例如，控制单元本身监测系统参数或接收来自液压推进应用的操作者的输入，并且在必须改变或维持位移元件的倾斜角度的情况下(例如当超出或低于系统参数的值时)将相应的信号发送到致动器装置。因此，致动器装置以机电、液压、气动方式或这些可能性的组合来转换控制阀阀芯。这种机电、液压或气动装置的实例在本领域中是已知的。例如，弹簧、螺线管、缸-活塞-单元、杠杆、电动或热继电器等示例性地是这种致动装置，以致动控制阀阀芯以保持或改变其位置。因此，本发明涵盖了致动控制阀阀芯上的所有这些普通技术可能性以及加压液压流体对阀段中的第一和第二控制端口的创造性引导。

此外，所有这些用于转换控制阀阀芯的装置都可以是借助于控制单元控制的，该控制单元优选地能够命令前述的致动器装置作用在控制阀阀芯上。因此，控制装置可以是CPU、微处理器等，其向致动器装置发送相应的信号，用于改变或保持可转换的控制阀阀芯的位置。当然，控制单元从其他部件接收输入信息和/或例如从液压驱动车辆的操作者接收输入信息，并将相应的信号发送到致动器装置。在本发明的另一个实施例中，控制单元监测系统参数并命令致动器装置在超过或低于系统参数的情况下保持或转换控制阀阀芯。

如上所述，本发明的液压活塞单元适用于开放式液压回路以及闭合式液压回路，其具有输送方向和/或以推进模式或拖曳模式操作的能力。在这种闭合式液压回路中实施本发明的液压活塞单元的情况下，本发明的液压活塞单元优选地包括高压选择阀，该高压选择阀流体连接到液压活塞单元的两个压力侧并且能够从高压侧向控制阀的高压入口端口供应液压流体。在基本实施例中，这种高压选择阀是具有两个入口和一个出口的双止回阀的形式，其中低压侧的入口在高压的作用下由止回阀球关闭。这样，在任何操作条件下，确保高压下的液压流体被引导到控制阀的高压入口端口。

在本发明的另一优选实施例中，控制阀还能够将低压或更低压力下的液压流体引导到阀段上的未被高压下的液压流体充压的相应的另一个控制端口。因此，控制阀通过低压入口端口连接到液压活塞单元的低压侧或连接到充压压力源(例如以充压泵的形式)，或低于高压水平的另一系统压力。在液压活塞单元实施为闭合式液压回路的情况下，控制阀借助于低压选择阀流体连接到液压回路的两个压力管路，以便在两个输送方向上适当地将低压下的液压流体引导到相应的另一未被高压充压的控制端口。该低压选择阀可以例如通过转换阀执行，其中转换阀阀芯在一侧参考高压水平并且在相对侧参考到较低压力水平，其不一定是由低压选择阀转送的压力水平。

总之，利用本发明的液压活塞单元，可以以简化的方式执行用于调节至少两位置液压单元的位移容积的控制方法，其中如果要保持本发明的液压活塞单元的初始位移容积，则将控制阀阀芯保持在其初始位置，在初始位置中控制阀将液压流体从高压侧传导到位于液压活塞单元的阀段上处于往复工作活塞的相应死端位置处的第一或第二控制端口中的一个，并且如果必须改变两位置液压单元的初始位移容积，则借助于致动装置将控制阀阀芯转换到转换位置，用于将高压液压流体提供给相应的另一个控制端口。如上所述，本发明的控制方法在基本实施例中在两个位置的液压活塞单元上执行，但是它也适用于比例调节的液压活塞单元，以便成比例地改变旋转组的位移容积。

进一步优选地，通过能够命令致动器装置的控制单元来控制本发明的液压活塞单元的旋转组的位移容积的控制，所述致动装置作用在控制阀的控制阀阀芯上。该控制阀可以是两位置型阀或比例阀。

用于控制液压活塞单元的位移容积的本发明方法还可以包括控制低压下的液压流体的引导，其被引导到阀段上未被高压下的液压流体充压的相应的另一个控制端口。本发明的控制方法适用于开路中的液压活塞单元以及闭合液压回路中的液压活塞单元，其中本发明的液压活塞单元可在两个旋转方向以及推进模式或拖曳模式下操作。

附图说明

在附图中更详细地示出了根据本公开的本发明的液压活塞单元的示例性实施例，附图不限制本公开的范围。所公开和说明的实施例的所有特征可以在本发明的范围内以任何期望的组合方式彼此组合。为此目的，示出为：

图1示意性地示出了处于第一初始位置的本发明的液压活塞单元的第一实施例；

图2示意性地示出了本发明的液压活塞单元的第二实施例，其中控制阀阀芯处于转换位置；

图3示意性地示出了处于第一初始位置的本发明的液压活塞单元的第三实施例；

图4示意性地示出了图3的实施例，其中控制阀阀芯处于转换位置；以及

图5示意性地示出了根据本发明的阀板。

具体实施方式

在图1至5中，借助于简化的液压活塞单元，示意性地公开了本发明，示例性地为斜盘式结构的液压轴向活塞单元。所示实施例仅出于简化的原因，仅以简单的方式示出本发明，而不是限制本发明构思的范围。相反，如上所述，本发明也适用于弯曲轴线或滚动板结构类型的液压轴向活塞单元，以及径向活塞单元和叶片单元。另外，在附图中，相同的附图标记表示本申请的液压活塞单元的相同特征。因此，尽管某些描述可能仅涉及某些附图和附图标记，但是应该理解，这些描述可以同样适用于其他附图中的相同附图标记。

图1中所示的液压轴向活塞单元1包括缸体3，其中缸孔5通常平行于缸体3的旋转轴线9定位。工作活塞6可在这些缸孔5中往复运动，由根据本发明的位移元件4引导，位移元件4在图1中示出为示例性的非转动斜盘。本领域技术人员知道，在弯曲轴线液压轴向活塞单元中，位移元件4可以是相对于液压轴向活塞单元的驱动轴的旋转轴线弯曲缸体的旋转轴线的轭。

在图1的示例性实施例中，呈斜盘形式的位移元件4可围绕枢转轴线 29倾斜，以便在缸体3的一次旋转期间调节由工作活塞6排出的位移容积。缸孔5通过缸端口31和32与位于缸体3下侧(即在活塞底侧)上的阀段 20上的第一控制端口23和第二控制端口24流体连接。阀段20相对于液压活塞单元的壳体可旋转地固定，并且不与缸体3一起转动。驱动轴8以可旋转地固定的方式附接到缸体3，使得驱动轴8能够以可旋转的方式驱动或由缸体3驱动。取决于阀段20的哪个肾形端口形成入口端口21或出口端口22，并且在哪个位置，即斜盘4被定向的倾斜角度，通常包括至少斜盘4、工作活塞6、缸体3、驱动轴8和阀段20的液压活塞单元1的旋转组2用作泵或马达，并且以推进模式或拖曳模式操作。由于这些细节对于本领域普通技术人员来说是非常熟悉的，因此省略了对这方面的进一步说明。

例如，图1中的静压活塞单元1示出为处于推进模式的液压活塞马达，其中入口端口21布置在液压活塞单元1的高压侧14处。相应地，出口端口22布置在低压侧15。因此，高压下的液压流体在入口端口21处进入旋转组2并将工作活塞6压向斜盘4，这导致缸体3的旋转运动。因为下方工作活塞6处于其下死端位置，所以在出口端口22处低压下的液压流体通过工作活塞6和缸端口32(图1中未示出)离开由斜盘4挤压的旋转组 2，其中在图1的简化实施例中缸端口32与控制端口24对齐。两个肾形端口21和22的布置以及本公开的本发明的控制端口23和24的布置在图 5中示例性地示出。从图1结合图5来看，可以容易地理解图1中的液压活塞单元1的缸体3示出了偶数个缸孔5，这里是四个缸孔5，这是特殊配置(因为通常使用奇数个缸孔5)，例如以增强液压活塞单元的更平稳的运行。

在图1的实施例中，斜盘4被高压下的液压流体推动并保持在其倾斜或偏转位置，该液压流体从控制阀10经由第一控制端口23引导至缸端口 31。这在缸孔5中提供了足够高的液压力，将工作活塞6推到其上死端位置并将其保持在那里，因此，斜盘4处于最大偏转/倾斜位置，如图1所示。高压下的液压流体通过高压端口11进入控制阀10，高压端口11通过高压选择阀30与高压侧14流体连接。示例性地，高压选择阀30可以设计为连接到液压活塞单元1的两个压力侧的双止回阀。

在根据图1的液压活塞马达1的操作状态中，具有控制阀阀芯16的控制阀10处于第一(初始)位置，在第一位置中控制阀16将高压下的液压流体传导到第一控制端口23。控制阀阀芯16借助于控制阀弹簧17保持在该第一初始位置。致动器13布置在控制阀阀芯16的相对侧，致动器13 由合适的控制单元100控制并被构造成产生抵抗控制阀弹簧17的弹力的反作用力，以便将控制阀阀芯16移动到第二转换位置。致动器13可以是例如机电致动器41、液压致动器42、气动致动器43或其组合。在该第二转换位置，因为高压下的液压流体通过缸端口32进入缸孔5并且将工作活塞6压向斜盘4，所以控制阀阀芯16能够将高压下的液压流体传导到第二控制端口24，从而改变斜盘4的倾斜角度。通过斜盘4的倾斜角度的这种变化，所有工作活塞6的冲程都改变，从而液压活塞单元1的位移容积也改变。即使液压活塞单元1的位移容积变化，只要高压侧14和低压侧 15不交换而使得侧面15成为高压侧，侧面14成为低压侧，高压选择阀 30就保持在相同位置。

控制阀10的切换后的位置在图1中用虚线示出，其中斜盘4处于与止挡件33抵靠的零位置，即倾斜角等于零。在该操作条件下，液压活塞单元1没有显示位移容积，因为斜盘垂直于旋转轴线9定向，这意味着工作活塞不执行任何冲程，因为在旋转轴线方向上看到的斜盘和缸体之间的距离在圆周方向上没有变化。因此，在这种状态下，液压活塞单元空转而不进行任何工作。

然而，应该容易理解的是，斜盘4可以不抵靠止挡件33而是相对于图1的位置倾斜到负角度，即斜盘4的偏转与图1所示情况相反。例如，这将是图1的液压马达在拖曳模式下操作时的设置，现在作为泵工作，并且例如对液压推进应用执行中断效果。

图2示意性地示出了本发明的液压活塞单元的第二实施例，其中控制阀阀芯16处于转换位置。与图1的实施例不同，高压侧14随图2中的低压侧15而改变。假设输送方向与图1的实施例相同，即逆时针方向，液压活塞单元1用作泵，其中存在于控制端口24处的压力确定斜盘4的倾斜角度以及液压活塞单元1(这里是液压轴向活塞泵)的位移容积。

图3示出了本发明的液压活塞单元1的另一个实施例，其与图1和2 的实施例的不同之处在于，控制阀10是4通/2位阀，其引导高压下的液压流体到控制端口23和引导低压下的液压流体到相应的另一控制端口 24。这种结构在阀段20上的工作活塞6的下死端区域提供了更好的润滑效果。为了将低压液压流体从低压侧提供给控制阀10，在控制阀10的上游布置低压选择阀35。低压选择阀35连接到高压侧14以及低压侧15。从而低压选择阀35的阀芯，例如，三通/二位阀在一前侧参考至高压侧并且在另一侧参考至低压，以确保连接至控制阀10的低压端口12其始终为低压侧。类似于图1和2的实施例，高压选择阀30确保控制阀10的高压端口11连接到液压活塞单元1的高压侧14。

从图3中可以看出，斜盘4的倾斜角度可以改变到另一侧，即角度的前置符号可以在每个方向上的改变至相应的最大值。通过这样做，可以改变输送方向，从而高压侧与低压侧交换，但液压活塞单元1的旋转方向保持不变。另外，当保持输送方向时，控制阀阀芯16从一个位置到另一个位置的转换将液压活塞单元1从泵模式切换到马达模式，反之亦然，因为当从推进模式改变为拖曳模式时，优选用于推进应用。例如，在图4中示出了这种切换配置。

另外，图4示出了本发明的液压活塞单元1的另一个实施例，其中在低于高压的压力下的液压流体例如由充压压力源40提供。这使得能够在液压活塞单元1的静止状态下预选操作模式。例如，可以简单地通过将控制阀阀芯16转换到适当的位置，在液压泵的情况下可选择输送方向。应该容易理解的是，该充压压力源40可与任何系统压力源44互换，所述系统压力源44在低于液压活塞单元1的高压侧压力的较低压力下提供液压流体。此外，被引导至控制端口23或24中的一个的加压液压流体改善了阀段20的低压区域的润滑情况。如图5所示，控制口23和24在工作活塞6的相应的死端位置61和62处布置在肾形入口端口和出口端口21和 22之间。肾形端口21和22的边界与控制端口23和24的边界之间的圆周距离优选地小于缸端口31的边界之间的圆周距离的二倍。通过这样做，可以确保，特别是对于奇数个缸孔，总是一个缸端口31、32与至少一个控制端口23、24重叠，以确保更好和更快的反应控制以及液压活塞单元1 的更平稳运行。

总之，利用本发明的本发明的液压活塞单元，提供了具有可靠的位移容积控制的较小的液压活塞单元，其消除了对(外部)伺服单元的需要。这不仅节省了成本，而且由于其包括较少的部件，因此液压活塞单元不那么复杂并更可靠。由于较少的部件受到液压压力，泄漏也显著减少。