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Die
Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Schaltungsanordnung
zur Versorgung eines doppelt wirkenden hydraulischen Verbrauchers
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es
ist bekannt, zwischen einer Hydraulikpumpe und einem hydraulischen
Verbraucher Steuerventile anzuordnen, mit denen sich die Richtung des
Verbrauchers und gegebenenfalls auch die Geschwindigkeit variieren
läßt, wenn
die Steuerventile proportional wirken. Üblich sind 4/3-Wegeventile
die in der Mittelstellung den Durchgang sperren. Sind größere Volumenströme zu steuern,
werden statt direkt gesteuerte meist sogenannte vorgesteuerte Ventile
verwendet, bei denen der Hauptsteuerschieber durch Pilotventile
in die eine oder andere Richtung verscho ben wird. Bei den meisten
Anwendungen wird der in den Verbraucher hineingehende und aus diesem
herauskommende Volumenstrom über
denselben Steuerschieber geleitet, wodurch die beiden Volumenströme nicht
unabhängig
voneinander beeinflußbar
sind.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Steuereinrichtung mit
getrennten Steuerventilschiebern für die Zu- und Ablaufseite eines
hydraulischen Verbrauchers. Dies bedeutet, daß die Volumenströme zum Verbraucher
hin und von diesem fort getrennt gesteuert werden. Sollen Verbraucheranschlüsse unabhängig voneinander
angesteuert werden, werden üblicherweise
zwei 3/3-Wegeventile erforderlich, bei denen ein Verbraucheranschluß entweder
mit der Pumpe oder dem Tank verbunden werden kann. Die herkömmliche
Methode besteht darin, die Steuerflächen der Steuerventilschieber über Vorsteuerventile
(Druckminderventile) mit einem geregelten Druck gegen eine Feder
zu verstellen. Zur Ansteuerung eines hydraulischen Verbrauchers über aufgelöste Steuerkanten
werden somit vier Vorsteuerventile benötigt. Da diese Form der Ansteuerung aufgrund
der Komplexität
der gleichzeitigen Ansteuerung von Zu- und Ablaufkante im Regelfall über einen elektronischen
Rechner erfolgt, sind für
die vier proportional wirkenden Elektromagnete der Vorsteuerventile
vier Leistungsausgänge
in der Ansteuerelektronik erforderlich. Werden von einer Ansteuerelektronik
mehrere Verbraucher angesteuert, ist eine entsprechende Zahl von
Leistungsausgängen
vorzusehen. Die Trennung von Zu- und Ablaufkante führt daher
im Stand der Technik entweder zu einer Verdoppelung der Elemente
im Vorsteuerkreis und der Elektronik oder durch Integration weiterer
Sensorik zum Aufbau eines geschlossenen Regelkreises, wodurch Komplexität, Fehleranfälligkeit
und Aufwand erhöht werden.
Für die
Integration von Sensorik zum Aufbau eines geschlossenen Regelkreises
ist die hydraulische Steuerventilanordnung nach
EP 0809737 B1 ein Beispiel.
Zwei Steuerventile werden durch elektrisch-proportional angesteuerte
4/3-Wegeventile und einem mit dem Hauptsteuerschieber verbundenen
Wegsensor in einem Lagerregelkreis betrieben.
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Der
Hauptschieber jedes Steuerventils wird damit im geschlossenen Regelkreis
betrieben, wobei der Wegsensor und das proportionale 4/3-Wegeventil
aufwendige Komponenten darstellen.
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Eine
andere herkömmliche
Methode besteht darin, die Steuerflächen der Steuerventilschieber über Druckminderventile
mit einem geregelten Druck gegen eine Feder zu Verstellen. Der Ventilschieber wird
dabei nicht in einem geschlossenen Regelkreis betrieben, da kein
Wegsensor verwendet wird, sondern über die Bedienhebel und gegebenenfalls
einen Steuerrechner.
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JP 360011703 A offenbart
die Ansteuerung von zwei Kammern eines doppelt wirkenden Verbrauchers über separate
Ventile unter Verwendung einer hydraulischen Logikschaltung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Schaltanordnung
zur Versorgung eines doppelt wirkenden hydraulischen Verbrauchers zu
schaffen, bei der eine mechanische Trennung von Zulauf- und Ablaufsteuerkante
vorgesehen ist und bei der ein geringerer Aufwand an hydraulischen
und elektronischen Komponenten erforderlich wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst.
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Bei
der Erfindung ist für
beide Vorsteuereingänge
eines Steuerventilschiebers nur ein Vorsteuerventil in Form eines
proportionalen Druckminderventils (im folgenden Proportional-Ventil)
vorgesehen. Zwischen den Ausgängen
der Proportional-Ventile und
den Vorsteuereingängen
der Steuerventile ist eine hydraulische Logikschaltung angeordnet,
die Umsteuerventile mit hydraulischen Steuereingängen enthält. Die hydraulischen Steuereingänge der
Umsteuerventile sind mit den Ausgängen der Proportional-Ventile
verbunden derart, daß die
Ausgänge
der Proportional-Ventile wahlweise mit einem Paar Steuereingänge der
beiden Steuerventile verbunden wird. Bei der Ansteuerung eines Paar
Steuereingänge
wird eine erste Leitung zum Verbraucher mit der Pumpe und die zweite
Leitung mit dem Tank verbunden. Bei Ansteuerung des zweiten Paars
Steuereingänge
wird die erste Leitung mit dem Tank und die zweite mit der Pumpe
verbunden. Da die Ausgänge
der Proportional-Ventile über
die Steuersignale in der Größe einstellbar
sind, läßt sich
die Öffnungsweite
jedes Steuerventils gezielt einstellen.
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Bei
der Ansteuerung der Proportional-Ventile über die Steuersignale muß zusätzlich die
Entscheidung getroffen werden, welches Paar Vorsteuereingänge der
Steuerventile mit welchem Ausgang der Proportional-Ventile verbunden
werden soll. Die Vorzugsrichtung oder die Entscheidung muß durch
ein weiteres Kriterium herbeigeführt
werden, das über die
Art der Steuersignale erfolgen kann, z. B. dadurch, daß die Steuersignale
geringfügig
zeitlich versetzt auftreten, derart, daß das zuerst auftretende Signal
dazu führt,
daß die
hydraulische Logikschaltung aufgrund ihrer Verschaltung die Entscheidung
trifft, welches Paar Vorsteuereingänge mit Vorsteuerdruck zu beaufschlagen
ist. Da es durch Betätigung
der elektronischen Steuereinrichtung möglich ist, auszuwählen, welches
Proportional-Ventil mit dem zuerst auftretenden elektrischen Steuersignal
beaufschlagt wird, kann etwa über
ein Bedienelement einer Hydraulik die Entscheidung getroffen werden.
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Es
sind verschiedene Lösungen
denkbar, die hydraulische Logikschaltung erfindungsgemäß auszulegen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die hydraulische Logikschaltung
zwei Umsteuerventile aufweist, die jeweils einen ersten und zweiten
Steuergang und einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen, wobei jeweils
ein Ausgang mit einem Vorsteuereingang eines Steuerventils und der
Eingang mit einem Ausgang des zugeordneten Proportional-Ventils verbunden
ist. Der Ausgang eines Proportional-Ventils ist ferner mit einem
ersten Steuereingang des zugeordneten Umschaltventils und dem zweiten
Steuereingang des anderen Umschaltventils verbunden und den Vorsteuereingängen der
Steuerventile sind unterschiedliche Öffnungsdrücke und Steuerdruckbereiche
zugeordnet, wobei die Ausgangsdrücke
der Proportional-Ventile zu Beginn eines Schaltvorgangs unterschiedliche
Werte haben derart, daß der
niedrige Wert jeweils dem niedrigen Öffnungsdruck der Steuerventile
zugeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform
wirken auf den Schieber der Steuerventile unterschiedliche Stellkräfte, so
daß zur Auslenkung in
der einen Richtung ein höherer
Druck benötigt
wird als zur Auslenkung in der anderen Richtung. Soll mittels des
Ventilschiebers des Steuerventils eine Verbindung von der Pumpe
zum Verbraucheranschluß geschaffen
werden, muß der
Vorsteuerdruck aufgrund der Federkraft, die auf die gegenüberliegende Stirnseite
des Ventilschiebers wirkt, einen Mindestwert übersteigen, um diesen zu bewegen.
Das dem Ventilschieber zugeordnete Proportional-Ventil wird entsprechend
angesteuert. Bei dem Anfangsdruck wird die zugeordnete Steuerkante
noch nicht geöffnet,
aber der Umsteuerschieber des zugeordneten Umsteuerventils sicher
in einer definierten Schaltposition gehalten bzw. der Umsteuerschieber
des anderen Umsteuerventils geschaltet. Dadurch ist gewährleistet,
daß das
Proportional-Ventil auf den zugehörigen Ventilschieber des Steuerventils
wirkt, während der
Steuerschieber des anderen Steuerventils entsprechend verstellt
wird, um eine Verbindung des hydraulischen Verbrauchers mit dem
Tank herzustellen. Durch Vorgabe der Größe der Steuersignale läßt sich der
Vorsteuerdruck ändern
und damit auch die Öffnungsweite
des angesteuerten Steuerventils. Die Steuersignale der Proportional-Ventile,
die das Öffnen
bzw. Schließen
des zugeordneten Steuerventilschiebers bewirken, arbeiten dabei
in unterschiedlichen Druckbereichen, so daß keine gegenseitige Beeinflussung
erfolgen kann und die Umschaltventile jeweils sicher in ihrer gewählten Position
gehalten werden. Der Maximalwert des Steuersignals, das den Verbraucheranschluß mit dem
Tank verbindet, liegt immer unterhalb des Minimalwertes des anderen
Steuersignals, das mittels zugehörigem
Ventilschieber den anderen Verbraucheranschluß mit der Pumpe verbindet.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein einziges Umschaltventil
vorgesehen mit einem ersten und einem zweiten Steuereingang sowie
zwei Eingängen
und vier Ausgängen,
wobei jeweils ein Eingang mit einem Ausgang des Proportional-Ventils
verbunden ist und jeweils zwei Ausgänge mit den Vorsteuereingängen eines
Steuerventils verbunden sind. In einer ersten von zwei Schaltstellungen
ist jeweils einer der Ausgänge
des Umsteuerventils mit seinem Vorsteuereingang des Steuerventils verbunden,
wodurch in einer ersten Schaltstellung des Umsteuerventils die erste
Leitung mit der Pumpe und die zweite Leitung mit dem Tank und in
einer zweiten Schaltstellung die zweite Leitung mit der Pumpe und
die erste mit dem Tank verbunden sind. Abhängig von der gewollten Ansteuerung
der Steuerventile über
die elektrischen Steuersignale für
die Proportional-Ventile erfolgt ein zeitlicher Versatz der Steuersignale,
wodurch das Umschaltventil in derjenigen Schaltstellung erhalten
wird, deren zugeordneter Steuereingang einen Vorsteuerdruck zuerst
erhält.
Somit ist eindeutig festgelegt, welches den Steuerventilen zugeordnete
Proportional-Ventil auf welche Vorsteuereingänge wirkt. Die zeitliche Differenz braucht
lediglich einige Hundertstel Sekunden zu betragen. Der Vorteil dieser
Ausgestaltung liegt darin, daß die
Ventilschieber der Steuerventile mit gleichen Kräften in beiden Richtungen betrieben
werden können,
so daß der
gesamte Arbeitsbereich der Proportional-Ventile zum Verstellen der
Steuerkante zur Verfügung
steht und das Umsteuerventil unabhängig von den Arbeitsdrücken der
beiden Proportional-Ventile
sicher in seiner Position gehalten wird.
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Lenkt
ein Bediener ein elektrisches Gebergerät, wie z. B. einen Joystick
aus, können
verschiedene Algorithmen zur Ansteuerung der beiden Steuerkanten
der Steuerventile zur Anwendung kommen:
- 1.
Beide Steuerkanten werden gleichmäßig geöffnet. Dies entspricht der
herkömmlichen
Wirkungsweise der Steuerventile.
- 2. Durch einen Drucksensor oder auf andere Art wird erkannt,
daß der
Verbraucher aufgrund einer drückenden
oder ziehenden Last ohne Pumpendruck bewegt werden kann. Sind auf
der Zulaufseite des Verbrauchers Nachsaugventile vorgesehen, braucht
in diesem Fall lediglich die Ablaufsteuerkante des hier vorgestellten
Ventilsystem für
den Verbraucher ge öffnet
zu werden. Hierdurch wird die Schwingungsneigung deutlich reduziert
und es lassen sich energetische Vorteile ableiten.
- 3. Wird andererseits eine drückende
Last angehoben, kann die Ablaufseite des Verbrauchers komplett geöffnet werden,
wodurch keine weiteren Verluste entstehen.
- 4. Durch Integration eines Drucksensors in die Zulaufseite läßt sich
eine Druckregelung erreichen. Durch das Einspannen der Ölsäule auf
einen höheren
Druck läßt sich
die Federcharakteristik zu einer größeren Steifigkeit und damit
zu höheren Frequenzen
hin verschieben.
- 5. Wird der Ventilschieber des Steuerventils auf der Zulaufseite
auf einen bestimmten Öffnungsquerschnitt
gestellt, ergibt sich in Verbindung mit einem LS-System eine konstante
Volumenstromanforderung. Ist auf der Zulaufseite ferner ein Drucksensor
integriert und wird die Ablaufsteuerkante so eingestellt, daß der Zulaufdruck
nicht unter den Tankdruck fällt,
also kein Öl über eventuell vorhandene
Nachsaugventile nachgesaugt wird, ist die gleichmäßige Geschwindigkeit
des Verbrauchers auch bei ziehenden Lasten oder dem Wechsel von
ziehenden zu drückenden
Lasten und umgekehrt sichergestellt. Auch wenn kein geschlossener
Regelkreis verwendet wird, kann bei Integration von Drucksensorik
eine Kompensation von Lastdrücken
erreicht werden, indem die Ablaufkante bei höheren Lastdrücken nicht
soweit geöffnet
wird, wie bei kleineren Lastdrücken.
Die Algorithmen lassen sich auf einem Steuerrechner ablegen, ohne
daß der
Bediener des Ansteuergerätes,
z. B. Joystick, dies bemerkt.
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Die
Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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1 zeigt
ein hydraulisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung.
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2 zeigt
ein hydraulisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung.
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In 1 weist
die hydraulische Schaltungsanordnung vier Leitungen auf, von denen
eine mit einer Pumpe P, eine weitere in einem Tank T, eine dritte mit
einer Vorsteuerdruckquelle PV und eine vierte mit einem Leckölabgang
L verbunden ist. Es sind zwei Proportional-Steuerventile 2, 3 vorgesehen,
zur Versorgung eines nicht weiter dargestellten Verbrauchers. Die
Verbraucheranschlüsse
sind mit A und B bezeichnet und liegen in einer ersten Leitung 10 und einer
zweiten Leitung 12 jeweils an einem Ausgang der Steuerventile 2, 3.
Am gleichen Ausgang liegt auch eine Steuerleitung 14, die
zu einem Steuereingang einer Druckwaage 1 führt, während der
andere Steuereingang mit einer Leitung 16 zum Steuerventil 2 bzw. 3 verbunden
ist.
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Die
Steuerventile 2, 3 sind 3/3-Wegeventile, deren
Ventilschieber von Federn in eine Mittellage gehalten werden. Die
Federn sind jedoch so ausgelegt, daß unterschiedliche Drücke auf
Steuereingänge 2a, 2b bzw. 3a, 3b aufgebracht
werden müssen, um
die Ventilschieber zu verstellen. Im dargestellten Beispiel müssen auf
den Vorsteuereingang 2a mindestens ein Druck von 18 bar
aufgebracht werden, um den Ventilschieber zu verstellen. Der Arbeitsbereich
ist 18 bis 28 bar. In der entgegengesetzten Richtung liegt der Arbeitsbereich
zwischen 5 und 15 bar. Gleiches gilt für das Steuerventil 3.
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In
der gezeigten hydraulischen Schaltungsanordnung nach 1 sind
ferner zwei Proportional-Ventile 6, 7 vorgesehen,
welche an die Vorsteuerdruckquelle PV geschaltet sind. Der Ausgangsdruck der
Proportional-Ventile 6, 7 ist abhängig von
der Höhe
des elektrischen Steuersignals. Außerdem weisen die Proportional- Ventile 6, 7,
die auch als Vorsteuerventile bezeichnet werden könnten, hydraulische
Steuereingänge
auf, die mit dem Eingang 6e, 7e des jeweiligen
Proportional-Ventils 6, 7 bzw. mit der Leckölleitung
L verbunden sind. Schließlich
sind zwei Umsteuerventile 4, 5 zu erkennen, die
mit dem Ausgang der Proportional-Ventile 6, 7 verbunden sind,
einen Leckölanschluß haben
und jeweils zwei Ausgänge 4a, 4b bzw. 5a, 5b aufweisen,
die jeweils mit den Vorsteuereingängen 2a, 2b bzw. 3a, 3b der Steuerventile 2, 3 verbindbar
sind. Unbetätigt
verbindet das Umsteuerventil 4 den Ausgang 6a des
Proportional-Ventils 6 mit dem Steuereingang 2a des Steuerventils 2 und
den Steuereingang 2b mit dem Leckölanschluß bzw. das Umschaltventil 5 den
Ausgang 7a des Proportional-Ventils 7 mit dem
Steuereingang 3a und den Steuereingang 3b mit
dem Leckölanschluß L. Die
Wirkungsweise der gezeigten Schaltungsanordnung ist wie folgt:
Soll
mit Hilfe des Steuerventils 2 eine Verbindung der Pumpe
P mit dem Verbraucheranschluß A
hergestellt werden, ist der Vorsteuerdruck an dem Vorsteuereingang 2a so
zu wählen,
daß er
ausreicht, die Federkraft zu überwinden,
d.h. mindestens 18 bar im gezeigten Fall. Das diesem Steuerventil 2 zugeordnete Proportional-Ventil 6 wird
durch die elektronische Steuervorrichtung entsprechend angesteuert.
Bei einem Druck von 18 bar oder geringfügig darunter wird jedoch die
zugeordnete Steuerkante des Steuerventils 2 noch nicht
geöffnet.
Durch den entsprechenden Ausgangsdruck des Proportional-Ventils 6 wird
auch der linke Steuereingang des Umsteuerventils 4 beaufschlagt
und dadurch das Umschaltventil in der gezeigten Stellung gehalten.
Gleichzeitig wird der Ausgangsdruck des Proportional-Ventils 6 auf
den rechten Steuereingang des Umsteuerventils 5 geschaltet. Dieses
schaltet mithin um und verbindet mithin den Ausgang 5b mit
dem Vorsteuereingang 3b des Steuerventils 3. Dadurch
gelangt der Ausgangsdruck des Proportional-Ventils 7, der über den
elektrischen Steuereingang entsprechend eingestellt ist, auf das Steuerventil 3.
Wird dieser Ausgangsdruck auf 5 bar begrenzt, führt dies ebenfalls noch nicht
zu einer Verstellung des Ventilschiebers des Steuerventils 3. Wird
der Ventilschieber des Steuerventils 3 mit einem höheren Druck
beaufschlagt, führt
dies zu einem Öffnen
des Steuerventils 3 auf der Ablaufseite des Verbrauchers.
Bei 15 bar ist das Steuerventil 3 vollständig geöffnet. In
jedem Fall muß der
maximale Steuerdruck deutlich unter 18 bar begrenzt werden, um beide
Umschaltventile 4, 5 in ihrer Position zu halten. Die Öffnungsweite
des Steuerventils 2 bestimmt sich naturgemäß durch
den Vorsteuerdruck am Steuereingang 2a.
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Soll
hingegen der Anschluß B
mit der Pumpe P und der Anschluß A
mit dem Tank T verbunden werden, wird das Proportional-Ventil 7 mit
einem Strom beaufschlagt, der kurz unterhalb des Öffnens des
Steuerventils 3 liegt. Mithin liegt am Steuereingang 3b etwa
der Druck von 18 bar. Am Ausgang des Proportional-Ventils 6 wird
ein etwas geringerer Ausgangsdruck erzeugt, der gerade noch nicht
ausreicht, die Ablaufkante des Steuerschiebers des Steuerventils 2 zu öffnen. Mit
diesem Vorgang erfolgt eine Umsteuerung oder Umschaltung des Umsteuerventils 4, indem
auf den rechten Steuereingang des Umschaltventils 4 der
Ausgangsdruck des Proportional-Ventils 7 wirkt. Dieser
wirkt auch auf den linken Steuereingang des Umsteuerventils 5 und
hält dieses
daher in der Ursprungsposition. Durch Vorgabe der Steuersignale
bzw. des Stroms an den Proportional-Ventilen 6, 7 können daher
die Steuerkanten der Steuerventile 3, 2 wieder
so angesteuert werden, daß die
gewünschten
Durchströmquerschnitte
erhalten werden.
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Der
Aufbau der Steuerventile 2, 3 nach 2 gleicht
dem der Steuerventile 2, 3 nach 1 mit
Ausnahme der Vorspannfedern, die auf beiden Seiten des Ventilschiebers
gleich ausgelegt sind. Der Arbeitsbereich beträgt daher z. B. jeweils 5 bis
28 bar. In 2 ist ein einziges Umsteuerventil 18 vorgesehen
mit einem linken und einem rechten Steuereingang. Das Umsteuerventil 18 ist
mit zwei Eingängen
P1, P2 versehen, die mit den Ausgängen A der Proportional-Ventile 6, 7 verbunden
sind. Ferner sind vier Ausgänge 18a, 18b, 18c und 18d vorgesehen, die mit
den zugeordneten Vorsteuereingängen 2a, 2b bzw. 3a, 3b der
Steuerventile 2, 3 verbunden sind. Außerdem liegt
der Ausgang 18a am linken Steuereingang des Umsteuerventils 18 und
der Ausgang 18d am rechten Steuereingang.
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Federn
halten den Ventilschieber des Umsteuerventils 18 in einer
federzentrierten Neutralposition. Wird ein Ausgangsdruck eines Proportional-Ventils 6, 7 auf
einen Druck erhöht,
der noch nicht zu einer Betätigung
der Ventilschieber der Steuerventile 2, 3 führt, wirkt
dieser schaltend auf das Umsteuerventil 18. Damit sich
beide Augangsdrücke
der Proportional-Ventile 6, 7 nicht neutralisieren,
erfolgt eine zeitliche Differenz in der elektrischen Ansteuerung
der Proportional-Ventile 6, 7 von
z. B. wenigen Hundertstel Sekunden. Es wird zunächst das Proportional-Ventil 6, 7 angesteuert,
das den Zulauf zum Verbraucher steuern soll. Anschließend wird
das zweite Proportional-Ventil 7, 6 angesteuert.
Der Vorteil dieser Lösung
besteht darin, daß die
Ventilschieber der Steuerventile 2, 3 mit gleichen
Federkräften in
beiden Richtungen betrieben werden können, daher der gesamte Arbeitsbereich
der Proportional-Ventile 6, 7 zum Verstellen der
Steuerkante der Steuerventile 2, 3 zur Verfügung steht
und das Umsteuerventil 18 unabhängig von den Arbeitsdrücken der
beiden Proportional-Ventile 6, 7 sicher in seiner Position
gehalten wird.