DE102005047310A1

DE102005047310A1 - Hydraulische Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102005047310A1
Application number: DE102005047310A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kauss
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Also published as: EP1934487B1; ATE518064T1; CN101278132A; EP1934487A1; CN101278132B; ES2367450T3; US7870729B2; WO2007039249A1; US20080256940A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrichtung für einen vorrangigen, ersten hydraulischen Verbraucher und für einen nachrangigen, zweiten hydraulischen Verbraucher, wobei dem ersten bzw. dem zweiten Verbraucher Druckmittel über eine erste bzw. zweite Zumessblende zuführbar ist. Der ersten Zumessblende ist eine Druckwaage vorgeschaltet, durch die eine konstante Druckdifferenz über der ersten Zumessblende einstellbar ist und die zu diesem Zweck einen Ventilkolben mit einer ersten Steuerkante aufweist, mit der ein erster Durchflussquerschnitt zwischen einer Zulaufleitung und der ersten Zumessblende steuerbar ist. Der zweiten Zumessblende ist eine zweite Druckwaage nachgeschaltet, die in Schließrichtung von einem in einem Steuerraum anstehenden Steuerdruck und in Öffnungsrichtung vom Druck nach der zweiten Zumessblende beaufschlagbar ist. Eine Druckmittelquelle variabler Liefermenge ist in Abhängigkeit vom höchsten Lastdruck der betätigten hydraulischen Verbraucher derart steuerbar, dass der Druck in der Zulaufleitung um eine bestimmte Druckdifferenz über dem höchsten Lastdruck liegt. Eine Lastmeldeleitung ist vom Lastdruck des zweiten hydraulischen Verbrauchers oder einem davon abgeleiteten Druck beaufschlagbar und mit dem Steuerraum der zweiten Druckwaage sowie mit einem Regelorgan der Druckmittelquelle verbunden. Am Ventilkolben der ersten Druckwaage ist eine zweite Steuerkante vorgesehen, mit der ein zweiter Durchflussquerschnitt zwischen der ...

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrichtung für einen vorrangigen hydraulischen Verbraucher und einen nachrangigen hydraulischen Verbraucher, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher hydraulischer Steuerkreis ist aus der DE 197 03 997 A1 bekannt. Den beiden hydraulischen Verbrauchern fließt dabei das Druckmittel jeweils über eine Zumessblende zu, wobei der dem vorrangigen, ersten hydraulischen Verbraucher zugeordneten ersten Zumessblende eine Druckwaage vorgeschaltet und der dem nachrangigen, zweiten hydraulischen Verbraucher zugeordneten, zweiten Zumessblende eine Druckwaage nachgeschaltet ist. Mithilfe der Druckwaagen werden bei ausreichend gelieferter Druckmittelmenge unabhängig von den Lastdrücken der hydraulischen Verbraucher konstante Druckdifferenzen über den Zumessblenden aufrechterhalten, so dass die einem hydraulischen Verbraucher zufließende Druckmittelmenge nur noch vom Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Zumessblende abhängt. Als Druckmittelquelle dient üblicherweise eine verstellbare Hydropumpe, die in Abhängigkeit vom höchsten Lastdruck derart steuerbar ist, dass der Druck in einer Zulaufleitung um eine bestimmte Druckdifferenz über dem höchsten Lastdruck liegt.

Hinsichtlich des ersten Verbrauchers entspricht der Steuerkreis einer sogenannten lastfühlenden oder loadsensing-Steuerung (LS-Steuerung). Von einer LS-Steuerung bzw. von LS-Verbrauchern spricht man üblicherweise, wenn hydraulische Verbraucher angesteuert werden, denen Druckmittel jeweils über eine Zumessblende und eine vorgeschaltete Druckwaage zufließt, und wenn die Drugkwaage den über der jeweiligen Zumessblende abfallenden Druck erfasst und konstant hält. Die Druckwaage wird in Schließrichtung nur vom Druck vor der Zumessblende und in Öffnungsrichtung nur vom Lastdruck des jeweiligen hydraulischen Verbrauchers und von einer Druckfeder beaufschlagt.

Hinsichtlich des zweiten Verbrauchers entspricht der Steuerkreis einer sogenannten LUDV-Steuerung. Dabei ist die der zweiten Zumessblende nachgeschaltete Druckwaage in Öffnungsrichtung vom Druck nach der zweiten Zumessblende und in Schließrichtung von einem in einem rückwärtigen Steuerraum anstehenden Steuerdruck beaufschlagt, der üblicherweise dem höchsten Lastdruck aller von derselben Hydropumpe versorgten hydraulischen Verbraucher entspricht. Werden mehrere derart angesteuerte hydraulische Verbraucher gleichzeitig betätigt, so werden die ihnen zufließenden Druckmittelmengen verhältnisgleich reduziert, wenn die von der Hydropumpe gelieferte Druckmittelmenge kleiner ist als die geforderten Druckmittelteilmengen. Man spricht in diesem Fall von einer Steuerung mit lastunabhängiger Durchflussverteilung (LUDV-Steuerung). Die entsprechend angesteuerten hydraulischen Verbraucher werden kurz LUDV-Verbraucher genannt. Die LUDV-Steuerung ist ein Sonderfall einer lastfühlenden oder loadsensing-Steuerung (LS-Steuerung). Auch bei ihr wird der höchste Lastdruck abgefühlt und von der Druckmittelquelle ein Zulaufdruck erzeugt, der um einen bestimmten Betrag Δp über dem höchsten Lastdruck liegt.

Die aufgeführte Druckschrift DE 197 03 997 A1 offenbart eine Prioritätsschaltung zwischen dem LS-Verbraucher und einem oder mehreren LUDV-Verbrauchern, in der der LS-Verbraucher vorrangig mit Druckmittel versorgt wird. Dazu ist zusätzlich zu der Druckwaage des LS-Verbrauchers ein Prioritätsventil vorgesehen, das einen mit einem Leitungsabschnitt stromauf der ersten Zumessblende verbundenen ersten Anschluss und einen mit der Lastmeldeleitung verbundenen zweiten Anschluss aufweist und dessen Ventilglied in Richtung Öffnen der Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss vom Lastdruck des vorrangigen hydraulischen Verbrauchers, also des LS-Verbrauchers, und einer Zusatzkraft beaufschlagbar ist. In Richtung Schließen ist das Ventilglied vom Druck stromauf der Zumessblende des LS-Verbrauchers – in einer Zulaufleitung oder zwischen der Druckwaage und der ersten Zumessblende – beaufschlagt. Auf diese Weise wird eine vor rangige Druckmittelversorgung des LS-Verbrauchers sichergestellt. Insbesondere wird der Druck stromauf der ersten Zumessblende auf einen Wert geregelt, der mindestens um einen Betrag über dem Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers liegt, der der Zusatzkraft, die auf das Ventilglied des Prioritätsventils wirkt, entspricht.

Ziel der Erfindung ist es ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik, eine einfachere und kostengünstiger herstellbare hydraulische Steuervorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydraulische Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung gibt eine hydraulische Steuervorrichtung für einen vorrangigen hydraulischen Verbraucher und einen oder mehrere nachrangige Verbraucher an. Der vorrangige Verbraucher wird über eine erste Zumessblende angesteuert, der eine (LS-) Druckwaage vorgeschaltet ist. Der nachrangige Verbraucher wird über eine zweite Zumessblende versorgt, der eine Druckwaage – nach Art einer LUDV-Steuerung – nachgeschaltet ist.

Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist es, dass am Ventilkolben der Druckwaage des vorrangigen Verbrauchers eine weitere Steuerkante vorgesehen ist, die eine Einspeisung von Druckmittel aus einer Zulaufleitung in eine Lastmeldeleitung steuert. Somit sind am Ventilkolben dieser Druckwaage zwei Steuerkanten vorhanden. Die erste Steuerkante steuert den der ersten Zumessblende zugeführten Druckmittelstrom im Sinne einer Individualdruckwaage für den vorrangigen Verbraucher. Die zweite Steuerkante steuert einen Durchflussquerschnitt zwischen dem Zulauf und der Lastmeldeleitung. Dadurch kann der Druck in der Lastmeldeleitung erhöht werden, falls die an der Zumessblende des vorrangigen Verbrauchers abfallende Druckdifferenz unter einen bestimmten Wert absinkt. Dies bewirkt ein Anheben des Druckniveaus stromab der zweiten Zumessblende und somit eine Verringerung des den nachrangigen Verbrauchern zugeführten Druckmittelstroms. Dadurch steht dem vorrangigen Verbraucher Druckmittel in ausreichender Menge zur Verfügung.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass die Druckwaage des vorrangigen Verbrauchers und der Regelmechanismus einer Druckerhöhung in der Lastmeldeleitung durch die gleichen Drucksignale steuerbar sind, geschickt aus, um diese beiden Funktionalitäten in einem einzigen, einfach aufgebauten Ventil zu realisieren. Im Vergleich zu der herkömmlichen Lösung wird ein separates Prioritätsventil und somit Material, Bauraum und Kosten eingespart. Durch die geringere Anzahl an beweglichen Komponenten ist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zudem wartungsarm.

Des Weiteren kann die an der Zumessblende des vorrangigen Verbrauchers entstehende Druckdifferenz unabhängig vom Betriebszustand nahezu konstant gehalten werden, da diese Druckdifferenz in jedem Betriebszustand von der Regelfeder der Druckwaage bestimmt ist. Bei ausreichender Fördermenge der Pumpe und lastführenden nachrangigen Verbrauchern, verhält sich die Druckwaage des vorrangigen Verbrauchers wie eine Individualdruckwaage und drosselt die Druckmittelzufuhr so, dass eine durch die Regelfeder bestimmte Druckdifferenz über der Zumessblende des vorrangigen Verbraucher ansteht. Liegt eine Untersättigung vor, so wird durch die zweite Steuerkante der Druck in der Lastmeldeleitung so geregelt, dass wiederum die Druckdifferenz an der Zumessblende des vorrangigen Verbrauchers der Druckäquivalenz dieser Regelfeder entspricht. Im Vergleich dazu sind bei der herkömmliche Steuerung verschiedene Federn in der Druckwaage und in einem Prioritätsventil, das die Lastmeldeleitung ansteuert, vorhanden. Um angesichts von Fertigungstoleranzen ein eindeutig bestimmbares Systemverhalten zu gewährleisten, sind diese Federn auf unterschiedliche Druckäquivalenzwerte eingestellt. Somit tritt beim herkömmlichen System unter Umständen eine merkliche Druckminderung an der Zumessblende des vorrangigen Verbrauchers z.B. beim Übergang in die Untersättigung auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

So sind gemäß Anspruch 2 die Steuerkanten so angeordnet, dass eine Bewegungsrichtung zum Öffnen des ersten Durchflussquerschnitts der Bewegungsrichtung zum Öffnen des zweiten Durchflussquerschnitts entspricht.

Dies bedeutet, dass die Steuerkanten an in Axialrichtung gleichsinnig ausgerichteten Flächen des Ventilkolbens gebildet sind. Die richtungsgleiche Betätigung der zwei Regelmechanismen der Druckwaage vereinfacht die deren Realisierung mittels eines einzigen Ventilkolbens.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass ein Öffnen des zweiten Durchflussquerschnitts – also eine Druckmittelzufuhr zur Lastmeldeleitung – erst dann erfolgt, wenn der hydraulische Widerstand am ersten Durchflussquerschnitt nahezu minimal ist. Dies bedeutet, dass der Regelmechanismus einer Druckerhöhung in der Lastmeldeleitung erst dann einsetzt, wenn die Regelung der Durchflussmenge über die Druckwaage – genauer gesagt durch den ersten Durchflussquerschnitt – das obere Durchflusslimit ihres Regelbereiches erreicht hat. Dadurch wird eine unnötige Erhöhung des Druckniveaus der Verstellpumpe und eine Drosselung der nachrangigen LUDV-Verbraucher vermieden, solange die Verstellpumpe noch genügend Druckmittel liefert. Wenn die Regelbereiche dieser zwei Regelmechanismen derart aneinander anschließen und sich nicht oder nur geringfügig überschneiden, ist außerdem stets ein stabiler, den jeweiligen Lastverhältnissen eindeutig zuzuordnender Betriebszustand der erfindungsgemäßen hydraulischen Steuervorrichtung gewährleistet.

Ein einfacher Aufbau der Druckwaage des vorrangigen Verbrauchers ergibt sich, wenn diese als Schieberventil mit einer Ventilbohrung und daran gebildeter Zulaufkammer und mit zwei Ausgangskammern – eine erste mit der Zumessblende verbundene Ausgangskammer und eine zweite mit der Lastmeldeleitung verbundene Ausgangskammer – ausgeführt ist.

Die Komplexität der Druckwaage des vorrangigen Verbrauchers lässt sich reduzieren, wenn eine Stirnseite des Ventilkolbens an die erste Ausgangskammer, die mit Zumessblende verbunden ist, angrenzt. Dadurch wirkt der Druck in der Ausgangskammer gleichzeitig als Steuerdruck auf den Ventilkolben um diesen in Schließrichtung der beiden Durchflussquerschnitte zu beaufschlagen.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung ist im Ventilkolben ein Fluidpfad gebildet, der einen an einer Stirnseite des Ventilkolbens gebildeten Steuerdruckraum mit der ersten Ausgangskammer verbindet. Ein solcher Fluid pfad ist einfach zu fertigen und stellt eine Bauraum sparende Möglichkeit dar, einen Steuerdruckraum der Druckwaage mit dem Druck stromauf der Zumessblende zu beaufschlagen.

Vorzugsweise umfasst der Fluidpfad eine Bohrung, die in der Umfangsfläche des Ventilkolbens mündet und die mit der zweiten Ausgangskammer in Überschneidung bringbar ist. Dadurch erzielt man einen besonders vorteilhaften Aufbau der Druckwaage, da der Fluidpfad zugleich als Druckleitung zum Steuerdruckraum und als Durchflusspfad in die zweite Ausgangskammer dient. Es wird ohnehin nur ein kleiner Durchflussquerschnitt zwischen der Zulaufleitung und der Lastmeldeleitung benötigt und eine der Steuerdruckkammer zu-/abgeführte Druckmittelmenge ist ebenfalls gering. Somit kann ein Fluidpfad kleinen Durchmessers verwendet werden. Da eine Fluidzufuhr zur Lastmeldeleitung erst dann erfolgen soll, wenn der Durchflussquerschnitt zwischen der Zulaufkammer und der ersten Ausgangskammer der Druckwaage schon weitgehend geöffnet ist, entspricht der Fluiddruck in der ersten Ausgangskammer weitgehend dem Fluiddruck in der Zulaufkammer. Daher kann der zweiten Ausgangskammer problemlos Fluid aus einem Bereich der ersten Ausgangskammer statt direkt aus der Zulaufkammer zugeführt werden und der beschriebene einfache Ventilaufbau erzielt werden.

Alternativ ist im Ventilkolben eine Vertiefung vorhanden, die gleichzeitig in Überschneidung mit der Zulaufkammer und der zweiten Ausgangskammer bringbar ist. Dadurch lassen sich, falls erforderlich, der erste Durchflussquerschnitt und der zweite Durchflussquerschnitt unabhängig voneinander gestalten.

Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung mit einem vorrangigen Verbraucher und einem Regelventil, das den Druckmittelstrom zum vorrangigen Verbraucher sowie zusätzlich eine Druckmitteleinspeisung in eine Lastmeldeleitung steuert.

2 ein Schnittbild des in 1 dargestellten Regelventils,

3A ein Schnittbild des in 1 dargestellten Regelventils in einer alternativen Ausführung,

3B eine Symboldarstellung des in 3A gezeigten Regelventils,

4 eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführung des in 1 dargestellten Regelventils und

5 ein Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung, vergleichbar der 1, mit einer Bypassleitung zum Melden eines Lastdrucks des vorrangigen Verbrauchers in die Lastmeldeleitung.

Nach 1 saugt eine Verstellpumpe 10 mit einer Verstellung 11 Druckmittel aus einem Tank 12 an und gibt es in ein System von Zuleitungen ab. Über die Zuleitungen werden ein erster hydraulischer Verbraucher 14, der als Gleichgangzylinder ausgebildet ist, und zumindest ein zweiter hydraulischer Verbraucher 15, der ein Differentialzylinder ist, mit Druckmittel versorgt. Die Richtung und die Geschwindigkeit des Gleichgangzylinders 14 wird durch eine entsprechende Betätigung eines 4/3-Proportional-Wegeventils 16 bestimmt, dessen Ventilschieber in einer Mittelstellung federzentriert ist, in der die vier Arbeitsanschlüsse und ein Steueranschluss 18 des Wegeventils 16 gesperrt sind. Bei einer Verschiebung des Ventilschiebers aus seiner Mittelstellung heraus in die eine oder in die andere Richtung wird eine Zumessblende 17 je nach dem Weg, den der Ventilschieber bewegt wird, unterschiedlich weit geöffnet. Der Steueranschluss 18 wird stromab der Zumessblende mit dem Vorlauf zum Gleichgangzylinder 14 verbunden.
Zwischen eine Zuleitung 13 und einen Zulaufanschluss 19 des Wegeventils 16 ist ein Regelventil 45 eingefügt, das die Funktion einer 2-Wege-Druckwaage besitzt. Dementsprechend steuert das Regelventil 45 den Durchflussquerschnitt einer fluidischen Verbindung 20 zwischen seinem Eingang 46 und einem seiner Ausgänge 23, d.h. zwischen der Zuleitung 13 und dem Zulaufanschluss 19 des Wegeventils 16. Der Ventilkolben 48 des Regelventils 45 ist in Richtung Schließen der Verbindung 20 vom Druck stromauf einer Zumessblende 17 und in Richtung Öffnen über eine Steuerleitung 61 vom Druck im Steueranschluss 18 des Wegeventils 16, also vom Lastdruck des Gleichgangzylinders 14, und von einer Regelfeder 21 beaufschlagt. Die Kraft der Regelfeder 21 ist so ausgelegt, dass ihr eine Druckdifferenz von z. B. 15 bar über der Zumessblende 17 äquivalent ist.
Während somit das dem ersten hydraulischen Verbraucher 14 zugeordnete Regelventil 45 der ersten Zumessblende 17 vorgeschaltet ist, ist die dem zweiten hydraulischen Verbraucher 15 zugeordnete zweite Druckwaage 30 einer zweiten Zumessblende 31 nachgeschaltet. Für die Richtungssteuerung des Differentialzylinders 15 ist zwischen der zweiten Druckwaage 30 und dem Differentialzylinder ein Wegeventil 32 angeordnet, über das im Vergleich zum Druckabfall an der Zumessblende 31 kein nennenswerter Druckabfall mehr auftritt, wenn der Differentialzylinder 15 betätigt wird. Die Zumessblende 31 und die zur Richtungssteuerung notwendigen Steuernuten sind in bekannter Weise am selben Ventilschieber ausgebildet, so dass Richtungs- und Geschwindigkeitssteuerung jeweils ohne weiteres gemeinsam vonstatten gehen. Der Regelkolben 33 der Druckwaage 30 wird in Richtung Öffnen der Verbindung zwischen der Zumessblende 31 und dem Wegeventil 32 vom Druck nach der Zumessblende und in Richtung Schließen der Verbindung von einem in einem rückwärtigen Steuerdruckraum 34 herrschenden Steuerdruck und von einer schwachen Druckfeder 35, der ein Druck von z. B. lediglich 0,5 bar äquivalent ist, beaufschlagt. Die Vorderseite des Regelkolbens 33 ist über einen im Regelkolben verlaufenden Kanal 36 mit dem Steuerdruckraum 34 verbunden, wobei in dem Kanal 36 ein zum Steuerdruckraum hin öffnendes Rückschlagventil 37 angeordnet ist.
Parallel zu der Zumessblende 31, der Druckwaage 30 und dem Wegeventil 32 für den zweiten hydraulischen Verbraucher 15 können weitere Zumessblenden, Druckwaagen und Wegeventile für weitere hydraulische Verbraucher an das System der Zuleitungen 13 angeschlossen sein. Dabei sind die Steuerdruckräume 34 aller Druckwaagen 30 miteinander verbunden, so dass in diesen Steuerdruckräumen derselbe Druck ansteht. Die Regelkolben 33 der Druckwaagen suchen sich bei einer Betätigung eines zweiten hydraulischen Verbrauchers in eine solche Stellung zu bringen, in der sich an ihrer Vorderseite ein lediglich um die der Kraft der Druckfeder 35 äquivalente Druckdifferenz höherer Druck einstellt als in den Steuerdruckräumen 34.
Über die Kanäle 36 und die Rückschlagventile 37 wird, lässt man einmal den ersten hydraulischen Verbraucher 14 völlig außer acht, jeweils der höchste Lastdruck aller betätigten zweiten hydraulischen Verbraucher 15 in die Steuerdruckräume 34 gegeben. Die Steuerdruckräume 34 sind an eine Lastmeldeleitung 38 angeschlossen, die zur Verstellung 11 der Pumpe 10 führt. Die Lastmeldeleitung 38 ist weiterhin über einen Stromregler 55 mit dem Tank 12 verbunden ist. Über diesen Stromregler wird die Lastmeldeleitung 38 jeweils von Druck entlastet, wenn keiner der hydraulischen Verbraucher betätigt wird.
Verstellpumpen und entsprechende Regler sind allgemein bekannt und auf dem Markt ohne weiteres erhältlich. Es erübrigt sich deshalb, näher darauf einzugehen. Es sei lediglich darauf hingewiesen, dass die Pumpenregelung bewirkt, dass sich in der Zuleitung 13 ein Druck einstellt, der um eine der Kraft einer Regelfeder äquivalente Druckdifferenz Δp über dem Druck in der Lastmeldeleitung 38 liegt. Die Druckdifferenz Δp betrage z. B. 20 bar, ist also höher als die der Kraft der Regelfeder 21 des Regelventils 45 äquivalente Druckdifferenz von 15 bar.
Der erste hydraulische Verbraucher 14 soll vorrangig vor dem zweitem hydraulischen Verbraucher 15 mit Druckmittel versorgt werden. Dafür ist in dem Regelventil 45 eine zweite steuerbare Verbindung 22 vorgesehen. Die Verbindung 22 ist als Blende mit proportional steuerbaren Durchflussquerschnitt zwischen dem Eingang 46 und einem Ausgang 47 ausgebildet. Letzterer ist mit der Lastmeldeleitung 38 verbunden.
Auch für die zweite von ihm gesteuerte fluidische Verbindung 22 wird der Ventilkolben 48 des Regelventils 45 in Richtung Schließen von einem Druck stromauf der Zumessblende 17 und in Richtung Öffnen von dem durch die Steuerleitung 61 herangeführten Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 und der Regelfeder 21 beaufschlagt.
In der 2 ist das Regelventil 45 näher dargestellt. In dem Ventilgehäuse 70 ist eine Ventilbohrung 71 vorhanden. In dieser Bohrung ist der Ventilkolben 48 verschiebbar gelagert. An die Ventilbohrung grenzen eine Zulaufkammer 72 und zwei Ausgangskammern 73 und 74 an. Die Zulaufkammer ist mit dem als Bohrung ausgeführten Anschluss 46 und somit mit der Zuleitung 13 verbunden. Die Ausgangskammer 73 steht mit dem Ausgang 23, d.h. mit der Zumessblende 17, in Verbindung. Die Ausgangskammer 74 mündet über den Anschluss 47 in der Lastmeldeleitung 38.
Die steuerbare fluidische Verbindung 20 kommt über einen radial zurückgesetzten Abschnitt 76 des Ventilkolbens 48 zustande. An einer in Richtung der Zulaufkammer 72 angeordneten Stufe ist am Ventilkolben 48 die Steuerkante 77 gebildet. Die Steuerkante 77 begrenzt einen ersten Durchflussquerschnitt zwischen ihr und einem Gehäusesteg 78, der zwischen der Zulaufkammer 72 und der Ausgangskammer 73 gebildet ist.
Die fluidische Verbindung 22 wird durch eine Vertiefung 78 in der Umfangsfläche des Ventilkolbens 48 gebildet. Diese Vertiefung 78 kann z.B. eine Axialnut oder eine radiale Stufung des Ventilkolbens sein. Eine die Vertiefung 78 in Richtung der Ausgangskammer 74 begrenzende Steuerkante 79 bildet mit der Ausgangskammer 74 einen zweiten steuerbaren und schließbaren Durchflussquerschnitt.
Ein Steuerdruckraum 50 ist an die Steuerleitung 61, die den Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 führt, angeschlossen. Der Druck in dem Steuerdruckraum 50 beaufschlagt den Ventilkolben 48 in Öffnungsrichtung der Fluidverbindungen 20 und 22. Zusätzlich steht die Kraft der Regelfeder 21 am Ventilkolben 48 in Öffnungsrichtung an. In Schließrichtung wirkt der im Steuerdruckraum 49 anstehende Druck. Der Steuerdruckraum 49 steht über einen im Ventilkolben 48 gebildeten Fluidkanal 75 mit dem radial zurückgesetzten Abschnitt 76 und somit der Ausgangskammer 73 in fluidischer Verbindung.
Anhand der 1 und 2 wird nun die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung erläutert. Am Ventilkolben 48 des Regelventils 45 stellt sich ein Kräftegleichgewicht ein, dass folgende Kraft- bzw. Druckanteile berücksichtigt: pLS + P21 = p38 + Δp – ΔpDW (Gleichung 1),wobei p_LS der Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14, p₂₁ das Druckäquivalent der Kraft der Regelfeder 21, p₃₈ der in der Lastmeldeleitung 38 herrschende Lastdruck, Δp die Regeldruckdifferenz der Pumpenverstellung 11 und Δp_DW der an der Steuerkante 77 der Verbindung 22 abfallende Druck ist.
Die Steuerkante 79 ist so angeordnet, dass die Verbindung 22 erst dann öffnet, wenn der Durchflussquerschnitt an der Steuerkante 77 schon fast maximal ist, d.h. wenn der Druckabfall Δp_DW an der Steuerkante 77 einen Wert Δp_DW* nahe an einem Minimum erreicht hat. Der Wert Δp_DW* ist jedoch von der Durchflussmenge an der Steuerkante 77 abhängig.
Reicht der von der Pumpe geförderte Druckmittelstrom zur Versorgung aller Verbraucher aus, so bleibt die Regeldruckdifferenz Δp konstant auf dem durch die Regelfeder der Pumpenverstellung 11 eingestellten Wert, z.B. 20 bar.
Solange die nachrangigen Verbraucher lastführend sind, genauer gesagt, solange der in der Zulaufleitung 13 anstehende Druck größer als die Summe aus Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 und der Druckäquivalenz der Regelfeder 21 ist, wird über die Steuerkante 77 ein Druckabfall Δp_DW zur Regelung der Versorgung des vorrangigen Verbrauchers erzeugt. Durch den Druckabfall Δp_DW wird ein aus Sicht des vorrangigen Verbrauchers 14 in der Zulaufleitung 13 bestehender Drucküberschuss abgedrosselt. Der Druck p₃₈ in der Lastmeldeleitung entspricht dabei dem höchsten Lastdruck der nachrangigen Verbraucher, im Folgenden mit p_LUDV bezeichnet.
Bei einem Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers von pLS > (pLUDV + Δp) – p21 – ΔpDW* (Gleichung 2),wobei (p_LUDV + Δp) der durch die nachrartgigen Verbraucher 15 erzeugbare Zulaufdruck ist, ist der Steuermechanismus einer Drosselung an der ersten Steuerkante 77 erschöpft und der zugehöhrige Durchflussquerschnitt ist vollständig geöffnet.
Wenn also der Zulaufdruck (p₃₈ + Δp) auf oder unter den Wert p_LS + p₂₁ + Δp_DW* absinkt, öffnet die zweite Steuerkante 79 den Durchflussquerschnitt der Verbindung 22. Dadurch erhöht sich der Druck p₃₈ in der Lastmeldeleitung 38 auf Werte größer als p_LUDV. War zuvor der in der Zuleitung 13 anstehende Druck (p₃₈ + Δp) nur von dem Lastdruck p_LUDV der nachrangigen Verbraucher abhängig, so wird der Zuleitungsdruck (p₃₈ + Δp) nun vom Lastdruck p_LS des vorrangigen Verbrauchers 14 bestimmt. Die Regelung des Zuleitungsdrucks (p₃₈ + Δp) erfolgt mit Hilfe der Steuerkante 79 und der Rückkopplung über die Verstellung 11. Aus Gleichung 1 ergibt sich unmittelbar die Abhängigkeit (p38 + Δp) = pLS + p21' + ΔpDW* (Gleichung 3),wenn man berücksichtigt, dass die Regelfeder 21 beim Regeln an der Steuerkante 79 etwas stärker entspannt ist als beim Regeln an der Steuerkante 77, also eine etwas geringeren Druckäquivalenz p₂₁' als p₂₁ aufweist, und wenn Δp_DW* als ein geringer Druckabfall an dem von der Steuerkante 77 begrenzten nahezu vollständig geöffneten Durchflussquerschnitt angenommen wird. Im Wesentlichen regelt sich also der Druck in der Zuleitung 13 auf einen Wert ein, der um die Druckäquivalenz p₂₁' der Regelfeder 21 höher als der Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 ist.
Im Fall, dass der von der Pumpe 10 geförderte Druckmittelstrom nicht zur Versorgung aller Verbraucher ausreicht, kann Δp nicht mehr als konstant angesehen werden. Die Regelkapazität von Pumpe 10 und ihrer Verstellung 11 sind erschöpft und der Druck in der Zuleitung 13 sinkt. Wie zuvor öffnet sich bei Absinken des Zuleitungsdrucks (p₃₈ + Δp) auf p_LS + p₂₁ + Δp_DW* die Verbindung 22. Dies führt zu einer Erhöhung des in der Lastmeldeleitung 38 geführten Drucks. Dadurch erhöht sich auch der Druck zwischen der Zumessblende 31 und der Druckwaage 30 des nachrangigen Verbrauchers. Die über der Zumessblende 31 anstehende Druckdifferenz verringert sich und somit auch der dem nachrangigen Verbraucher zuführbare Druckmittelstrom. Bedarfsweise, bei entsprechend abgesunkener Regeldruckdifferenz Δp, kann der Druck der Last meldeleitung 38 bis auf den Zulaufdruck (p₃₈ + Δp) ansteigen und mittels der Druckwaage 30 die Versorgung des nachrangigen Verbrauchers 15 vollständig unterbinden. Auch mehrere nachrangige Verbraucher 15 können auf diese Weise abgeregelt werden. Über diesen Mechanismus der Drosselung der nachrangigen Verbraucher 15 regelt sich der Zulaufdruck (p₃₈ + Δp) wiederum nach Gleichung 3 auf einen Wert ein, der im Wesentlichen um die Druckäquivalenz p₂₁' der Regelfeder 21 höher als der Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 ist.
In allen Fällen ist also eine zuverlässige Versorgung des vorrangigen Verbrauchers 14 so gesichert, dass eine der Druckäquivalenz p₂₁ bzw. p₂₁' der Regelfeder 21 entsprechende Druckdifferenz über der Zumessblende 17 anliegt.
Die 3A zeigt ein Regelventil 85, das eine modifizierte Ausführungsform des Regelventils 45 darstellt. Eine Symboldarstellung des Regelventils 85 ist in 3B gezeigt. Das Regelventil 85 unterscheidet sich lediglich durch den Ventilkolben 88 von dem Regelventil 45. Wie der Ventilkolben 48 besitzt der Ventilkolben 88 einen radial zurückgesetzten Kolbenabschnitt 76. Von diesem Kolbenabschnitt geht ein Fluidkanal 75 aus, der an einer Stirnseite des Ventilkolbens 88 in den Steuerdruckraum 49 mündet. Im Gegensatz zum Ventilkolben 48 besteht keine Vertiefung in der Kolbenumfangsfläche, mit der die Zulaufkammer 72 direkt mit der Ausgangskammer 74 verbindbar ist. Statt dessen ist eine Bohrung 86 senkrecht zur Achse des Ventilkolbens 88 ausgeführt, die in den Fluidkanal 75 mündet. Zusammen mit einer Feinsteuernut 87 bildet die Bohrung 86 eine Steuerkante 89 zur Steuerung eines Durchflussquerschnitts an der Ausgangskammer 74. Dazu ist anzumerken, dass dieser zwischen der Steuerkante 89 und dem Ventilgehäuse 70 gebildete Öffnungsquerschnitt erst dann öffnet, wenn der hydraulische Widerstand bzw. der Druckabfall Δp_DW an der Steuerkante 77 bereits einen Wert Δp_DW* nahe dem Minimalwert erreicht hat. Somit entspricht der Druck des Druckmittels, das über den Fluidpfad 75 bei Öffnen der Steuerkante 89 von dem radial zurückgesetzten Kolbenabschnitt 76 herangeführt wird, annähernd dem Druck im Eingangsanschluss 46. Dadurch kann der Druck in der Lastmeldeleitung 38 bis nahezu auf den am Eingangsanschluss 46 anstehenden Zuleitungsdruck erhöht werden.
Eine weitere Ausführung eines Regelventils 95, das an die Stelle des Regelventils 45 oder 85 treten kann, ist in 4 skizziert. Die Symboldarstellung des Regelventils 95 entspricht der 3B. In dem Ventilgehäuse 90 des Regelventils 95 ist eine Ventilbohrung 91 vorgesehen. An der Ventilbohrung 91 sind eine Zulaufkammer 92 und zwei Ausgangskammern 93 und 94 angeordnet. Die Kammern 92, 93 und 94 sind mit entsprechenden Anschlüssen 46, 47 und 23 fluidisch verbunden, wie in der 4 dargestellt. In der Ventilbohrung 91 ist ein zylindrischer Ventilkolben 96 beweglich geführt. Der Ventilkolben 96 weist eine in Richtung der Ausgangskammer 93 offene axial verlaufende Sacklochbohrung 97 auf. Von der Umfangsfläche des Ventilkolbens 96 stoßen zwei radial verlaufende Bohrungen 98 und 99 auf die Sacklochbohrung 97.
Die Bohrung 98 ist mit der Zulaufkammer 92 in Überschneidung bringbar. Dadurch wird vom Zulaufanschluss 46 über die Bohrung 98, die Sacklochbohrung 97, die Ausgangskammer 93 und den Ausgangsanschluss 23 eine Fluidverbindung geschaffen. Die zur Steuerung des Durchflussquerschnittes dieser Verbindung maßgebliche Steuerkante 100 ist die umfangsflächenseitige Kante der Bohrung 98. Eine Fluidverbindung von dem Zulaufanschluss 46 zum Ausgangsanschluss 47 kommt über die Bohrung 98, die Sacklochbohrung 97, die Bohrung 99 und die Ausgangskammer 94 zustande. Die dafür maßgebliche Steuerkante 101 ist die umfangsflächenseitige Kante der Bohrung 99. Die Bohrung 99 ist so angeordnet, dass sie erst dann in Überschneidung mit der Ausgangskammer 94 tritt, wenn der an der Bohrung 99 gesteuerte Durchflussquerschnitt nur noch einen geringen hydraulischen Widerstand/Druckabfall Δp_DW* verursacht. Dadurch kann der Druck in der Lastmeldeleitung 38 bis nahezu auf den am Eingangsanschluss 46 anstehenden Zulaufdruck erhöht werden.
An einer von der Sacklochbohrung 97 abgewandten Stirnseite des Ventilkolbens 96 begrenzt dieser einen im Ventilgehäuse 90 gebildeten Steuerdruckraum 50. Dieser ist an die Steuerleitung 61 angeschlossen, die den Lastdruck des vorrangigen Verbrauchers 14 führt. Der im Steuerdruckraum 50 herrschende Druck wirkt in Öffnungsrichtung der durch die Bohrungen 98 und 99 gesteuerten Verbindungen. Zusätzlich wirkt die im Steuerdruckraum 50 angeordnete Regelfeder 21 in Öffnungsrichtung. In Schließrichtung ist der Ventilkolben 96 direkt von dem in der Ausgangskammer 93 anstehenden Druck beaufschlagt, da der Ventilkolben 96 mit seiner Stirnseite, in der die Sacklochbohrung 97 mündet, an die Ausgangskammer 93 angrenzt. Zum Einen ist durch diese Ausführungsform des Regelventils 95 ein sehr geringer Druckabfall Δp_DW* an der Bohrung 98 erzielbar, zum Anderen entfällt durch die Anordnung der Ausgangskammer 93 am stirnseitigen Ende des Ventilkolbens 96 eine separat ausgebildete Steuerkammer und eine intern oder extern zu dieser geführte Steuerleitung.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen hydraulischen Steuervorrichtung. Die Ausführung nach 5 ist weitgehend gleich der Ausführung nach 1. Unterschiedlich zu der Ausführung nach 1 ist, dass nun die Steuerleitung 61, die vom Steueranschluss 18 des Wegeventils 16 zum Regelventil 45 führt, über ein sich in einer Bypass-Leitung 62 befindliches Rückschlagventil 63 auch mit der Lastmeldeleitung 38 verbunden ist. Dabei sperrt das Rückschlagventil 63 von der Lastmeldeleitung 38 zum Kanal 61, also zum Steueranschluss 18 des Wegeventils 16 hin. Des Weiteren ist auch zwischen dem zweiten Anschluss 47 des Regelventils 45 und der Lastmeldeleitung 38 ein Rückschlagventil 64 angeordnet. Dieses sperrt zum Anschluss 47 hin.
Bei der Ausführung nach 1 findet auch bei in genügender Menge geförderten Druckmittel, wie oben beschrieben, eine Änderung des Regelmechanismus des Regelventils 45 statt, wenn der Lastdruck p_LS des vorrangigen Verbrauchers 14 den durch die nachrangigen Verbraucher vorgegebene Zulaufdruck (p_LUDV + Δp) abzüglich dem Druckäquivalent p₂₁ der Regelfeder 21 übersteigt (der Druckabfall Δp_DW* an der Steuerkante 77 sei vernachlässigbar klein). Wenn der vorrangige Verbraucher in diesem Sinne lastführend wird, verliert das Regelventil seine Funktionalität als LS-Druckwaage. Diese wird durch den Mechanismus der Steuerung des Drucks in der Lastmeldeleitung 38 ersetzt.
Bei der Ausführung nach 5 wird bei ausreichend geförderter Druckmittelmenge und lastführenden vorrangigen hydraulischen Verbraucher 14 der Lastdruck dieses hydraulischen Verbrauchers über das Rückschlagventil 63 in die Lastmeldeleitung 38 geleitet. Der Druck in der Zuleitung 13 liegt also um die Regeldruckdifferenz Δp der Verstellpumpe 10 über dem Lastdruck des hydraulischen Verbrauchers 14. Das Regelventil 45 hat in diesem Fall die Funktion einer LS-Druckwaage und drosselt den der Zumessblende 17 zugeführten Druckmittelstrom über die erste Steuerkante 77. Somit entspricht die über der Druckwaage 17 anstehende Druckdifferenz dem Druckäquivalent p₂₁ der Regelfeder 21.
Erst wenn bei Untersättigung der Druck (p₃₈ + Δp) in der Zuleitung 13 auf die Summe aus dem Lastdruck p_LS des hydraulischen Verbrauchers 14, dem Druckäquivalent p₂₁ der Regelfeder 21 und einen geringen Druckabfall Δp_DW* an der Steuerkante 77 abgefallen ist, wird der Lastmeldeleitung 38 über die Verbindung 22 Druckmittel zugeführt. Eine Verkleinerung des Druckabfalls über der Zumessblende 17 tritt quasi nicht auf, weil bei weiter zunehmender Untersättigung der Druck p₃₈ in der Lastmeldeleitung 38 über das Regelventil 45 erhöht und dadurch die Druckwaagen 30 der LUDV-Verbraucher 15 in Schließrichtung verstellt werden.
Das Rückschlagventil 64 verhindert einen Druckmittelfluss vom hydraulischen Verbraucher 14 über das Rückschlagventil 63 in das System der Zuleitungen, sofern z. B. bei Beginn einer Betätigung der Druck in den Zuleitungen noch nicht über dem Lastdruck liegt.
Das Rückschlagventil 64 kann auch entfallen, wenn der Anschluss 47 des Regelventils 45 mit dem Rückschlagventil 63 so verbunden wird, dass das Rückschlagventil 63 zum Anschluss 47 hin sperrt.

10: Verstellpumpe
11: Verstelleinrichtung
12: Tank
13: Zuleitung
14: Gleichgangzylinder
15: Differentialzylinder
16: 4/3-Proportional-Wegeventil
17: Zumessblende
18: Steueranschluss
19: Zulaufanschluss
20: Fluidische Verbindung
21: Regelfeder
22: Fluidische Verbindung
23: Ausgang
30: Druckwaage
31: Zumessblende
32: Wegeventil
33: Regelkolben
34: Steuerdruckraum
35: Druckfeder
36: Kanal
37: Rückschlagventil
38: Lastmeldeleitung
45: Regelventil
46: Eingang
47: Ausgang
48: Ventilkolben
49: Steuerdruckraum
50: Steuerdruckraum
55: Stromregler
61: Steuerleitung
62: Bypass-Leitung
63: Rückschlagventil
64: Rückschlagventil
70: Ventilgehäuse
71: Ventilbohrung
72: Zulaufkammer
73: Ausgangskammer
74: Ausgangskammer
75: Fluidkanal
76: Zurückgesetzter Kolbenabschnitt
77: Steuerkante
78: Vertiefung
79: Steuerkante
85: Regelventil
86: Bohrung
87: Feinsteuernut
88: Ventilkolben
89: Steuerkante
90: Gehäuse
91: Ventilbohrung
92: Zulaufkammer
93: Ausgangskammer
94: Ausgangskammer
95: Regelventil
96: Ventilkolben
97: Sacklochbohrung
98: Radialbohrung
99: Radialbohrung
100: Steuerkante
101: Steuerkante

Claims

Hydraulische Steuervorrichtung für einen vorrangigen, ersten hydraulischen Verbraucher (14) und für einen nachrangigen, zweiten hydraulischen Verbraucher (15) mit einer ersten Zumessblende (17), über die Druckmittel dem ersten hydraulischen Verbraucher (14) zuführbar ist, mit einer der ersten Zumessblende (17) vorgeschalteten Druckwaage (45), durch die eine konstante Druckdifferenz über der ersten Zumessblende (17) einstellbar ist und die zu diesem Zweck einen Ventilkolben (48) mit einer ersten Steuerkante (77) aufweist, mit der ein erster Durchflussquerschnitt zwischen einer Zulaufleitung (13) und der ersten Zumessblende (17) steuerbar ist, mit einer zweiten Zumessblende (31), über die Druckmittel dem zweiten hydraulischen Verbraucher (15) zuführbar ist und der eine zweite Druckwaage (30) nachgeschaltet ist, die in Schließrichtung von einem in einem Steuerraum (34) anstehenden Steuerdruck und in Öffnungsrichtung vom Druck nach der zweiten Zumessblende (31) beaufschlagbar ist, mit einer Druckmittelquelle (10) variabler Liefermenge, die in Abhängigkeit vom höchsten Lastdruck der betätigten hydraulischen Verbraucher (14, 15) derart steuerbar ist, dass der Druck in der Zulaufleitung (13) um eine bestimmte Druckdifferenz über dem höchsten Lastdruck liegt, und mit einer Lastmeldeleitung (38), die vom Lastdruck des zweiten hydraulischen Verbrauchers (15) oder einem davon abgeleiteten Druck beaufschlagbar und mit dem Steuerraum (34) der zweiten Druckwaage (30) sowie mit einem Regelorgan (11) der Druckmittelquelle (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilkolben (48) der ersten Druckwaage (45) eine zweite Steuerkante (79) vorgesehen ist, mit der ein zweiter Durchflussquerschnitt zwischen der Zulaufleitung (13) und der Lastmeldeleitung (38) steuerbar ist.
Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerkante (77) und die zweite Steuerkante (79) so angeordnet sind, dass eine Bewegungsrichtung des Ventilkolbens (48) zum Öffnen des ersten Durchflussquerschnitts einer Bewegungsrichtung des Ventilkolbens (48) zum Öffnen des zweiten Durchflussquerschnitts entspricht.
Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnen des zweiten Durchflussquerschnitts erst dann erfolgt, wenn der hydraulische Widerstand am ersten Durchflussquerschnitt nahezu minimal ist.
Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ventilgehäuse (70) der Druckwaage (45) eine Ventilbohrung (71) gebildet ist, in der der Ventilkolben (48) beweglich geführt ist, und dass an der Ventilbohrung (71) eine Zulaufkammer (72), eine erste Ausgangskammer (73), die mit der ersten Zumessblende (17) fluidisch verbunden ist, und eine zweite Ausgangskammer (74), die mit der Lastmeldeleitung (38) fluidisch verbunden ist, angeordnet sind.
Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (96) mit einer Stirnseite an die erste Ausgangskammer (93) angrenzt.
Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilkolben (48; 88) ein Fluidpfad (75) gebildet ist, der einen an eine Stirnseite des Ventilkolbens (48; 88) angrenzenden Steuerdruckraum (49) mit der ersten Ausgangskammer (73) verbindet.
Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidpfad (75) eine in der Umfangsfläche des Ventilkolbens (88) mündende Bohrung (86) aufweist, die mit der zweiten Ausgangskammer (74) in Überschneidung bringbar ist.
Hydraulische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (48) eine Vertiefung (78) aufweist, die gleichzeitig in Überschneidung mit der Zulaufkammer (72) und der zweiten Ausgangskammer (74) bringbar ist.