DE102006040459A1 - Hydrauliksteuerkreis - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hydrauliksteuerkreis zur Steuerung eines Hydraulikmotors zum Antrieb eines Drehwerks oder Hubwerks oder Einziehhubwerks eines Kranoberwagens.
- Stand der Technik
- Im nachfolgenden wird der Stand der Technik bei gebräuchlichen Drehwerkssteuerungen erläutert. Unter Drehwerk wird ein Einrichtung bezeichnet, bei dem sich ein Kranoberwagen mit entsprechendem Ausleger auf einem fest stehenden Unterwagen frei drehen kann. Üblicherweise erfolgt der Antrieb über einen Hydraulikmotor, der wiederum über ein Getriebe mit entsprechender Übersetzung den Oberwagen zum Unterwagen beliebig positioniert.
- Die Drehbewegung muss im Arbeitsfall einerseits sehr langsam steuerbar sein und andererseits hohe Geschwindigkeiten erreichen um entsprechende Arbeitszyklen zu ermöglichen. Die dynamischen Eigenschaften des Drehsystems variieren sehr stark, abhängig von Auslegerlängen, Ausladungen und Lastgewichten. Die Anforderung an die Bedienung des Krans werden ebenso von den Einsätzen auf den Baustellen bestimmt.
- Das erfordert eine hohes Maß an Steuerbarkeit durch Auflösung und Wandlung.
- Die in Fahrzeugkranen üblicherweise verwendeten Drehwerkssteuerungen werden als „Geschlossene und Offene Kreise" ausgeführt. Innerhalb der „Offenen Kreise" finden volumenstrom- oder druckgeregelte Systeme Anwendung.
- Im „Geschlossenen Kreis" fördert eine Verstellpumpe in einen Hydraulikkreis direkt zum Hydraulikmotor, ohne eine weitere Verteilstelle im System aufzuweisen. Das Rückfließende Öl wird direkt zur Pumpe geleitet. Leckage wird durch eine weitere Hilfspumpe in die jeweilige Rücklaufseite eingespeist.
- Die Geschwindigkeit der Drehbewegung wird durch das Fördervolumen der Pumpe bestimmt. Die Steuerventile in der Pumpe regeln je nach Anforderung die Menge.
- Die Förderrichtung und damit auch die Drehrichtung des Drehwerkes wird ebenfalls durch die Pumpe bestimmt. Das mechanisch/hydraulische Ventilsystem ermöglicht es, die Verstelleinheit der Pumpe aus einer Maximalstellung über die Nullstellung zur anderen Maximalstellung zu schwenken und somit kontinuierlichen Förderstrom von einem Ausgang zum anderen umzuschalten. Gleichzeitig wechseln auch die Saugseiten an der Pumpe.
- Ein Vorteil dieses Steuerungsprinzips liegt in der Einspannung des Drehwerks, die ein Wegdrehen bei Seitenkräften bedingt verhindert, da sich der Hydraulikmotor auf der Pumpe und somit dem Dieselmotor abstützt. Die Einspannung des Drehwerks durch den „Geschlossenen Kreis" verursacht bei zurücknehmen der Ansteuerung ein sofortiges Verzögern der Drehgeschwindigkeit. Es ist eine erhöhte Aufmerksamkeit des Fahrers auf die Drehbewegung erforderlich.
- Weitere Vorteile sind die gute Energiebilanz sowie das durch die Geometrie der Pumpe vorgegebene Fördervolumen und somit die Möglichkeit genaue Positionen anfahren zu können.
- Nachteilig wirkt sich der erhöhte Leckölanfall durch Hydraulikmotor und Pumpe bei Seitenkräften aus, wobei es dabei zu ungewollten Wegdriften des Drehwerks kommt. Eine zusätzliche dynamische Drehbremse ist trotz „Geschlossenem Kreis" erforderlich.
- Im „Offenen Kreis" fördert üblicherweise eine Konstantpumpe Öl aus dem Tank durch ein Proportionalventil zum Drehwerksmotor. Das rückfließende Öl gelangt durch das Proportionalventil zum Tank. Die Drehrichtung und die Fördermenge zum Drehwerksmotor werden durch das Ventil bestimmt. Beides wird durch Proportionalsignale je nach Anforderung gesteuert.
- Die Proportionalventile können als Drosselventile arbeiten oder aber auch als Druckwaagenventile, wobei dann eine Förderstromregelung unabhängig vom Druck gewährleistet ist.
- Reine Drosselsteuerungen sind für sehr dynamische Fahrweise des Drehwerks sehr gut geeignet, sind jedoch bei wechselnden Lasten unberechenbarer.
- Förderstromregelungen können unabhängig von der Last kleinste Geschwindigkeiten steuern oder regeln, sind jedoch für dynamische Fahrweise mit Gegensteuerung nicht geeignet. Durch die Freilaufschaltung der Schieber zentriert sich der Lasthaken bei geöffneter Bremse und anhebendem Lasthaken immer selbstständig genau über der Last.
- Ein großer Nachteil der „Offenen Kreise" liegt im gezielten Anhalten der Bewegung. Das Bremsen mit dem Proportionalventil ist nicht möglich, da bei wechselnden Lasten unterschiedliche Bremskräfte auf einem definierten Bremsweg erforderlich sind.
- Da somit diese Option nicht besteht, sind die Steuerschieber in Neutralstellung immer im Freilauf des Drehwerksmotors geschaltet. Zum Anhalten wird eine dynamisch wirkende Bremse benötigt. Diese Bremsen sind überwiegend als mechanische Lamellenbremsen ausgeführt, die ebenso problematisch zu handhaben sind, wenn stark variierende Lasten zu bremsen sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Hydraulikkreis der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf die in offenen Hydraulikkreisen benötigten Betriebsbremsen weitgehend verzichtet werden kann, eine feinfühlige Steuerung von Drehwerk, Hubwerk oder Einziehhubwerk erfolgen kann und zugleich verschiedene Steuerungsvarianten umgesetzt werden können und dem Kranfahrer dadurch die Möglichkeit geboten wird, optimale Steuerungsvarianten im aktuellen Einsatz auszuführen.
- Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorzugsweise Ausgestaltungen der Vorrichtung und der Verfahren der Hydrauliksteuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Erfindung soll nachfolgend erläutert werden, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.
- Die wesentlichen Bauteile des vorliegenden Steuerungskonzeptes beinhaltet folgende Komponenten:
- 1. Hydrauliköltank
- 2. Hydraulikkonstantpumpe
- 3. Hydrauliksteuerblock mit unabhängigen Zu- und Ablaufsteuerungen
- 4. Mechanische Feststellbremse
- 5. Hydraulikmotor zum Antrieb des Drehwerkes
- 6. Drehsensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung
- 7. Steuerrechner zum verarbeiten der Eingabesignale und Ausgabe von Stellgrößen
- 8. Bremspedal
- 9. Vorsteuergeber zur Ansteuerung des Drehwerks
- 10. Tankleitung
- Funktionsweise des Hydrauliksteuerblockes
- Der Hydrauliksteuerblock hat die Aufgabe den Ölstrom in Menge und Richtung dem Hydraulikmotor zuzuführen. Bisher wurde der Ölstrom über einen kombinierten Zu- und Ablaufschieber gesteuert. Dabei stehen die jeweiligen Querschnitte in fester Proportion zueinander.
- Im neu angewendeten Hydrauliksteuerblock kommen unabhängig steuerbare Steuerkolben zum Einsatz. Dabei lassen sich die Zu- und Ablaufquerschnitte getrennt einstellen. Der Zulaufkolben
3.2 bestimmt, angesteuert durch zwei proportionale Pilotventile3.3 ,3.4 die Zulaufmenge zum Hydraulikmotor5 und die Drehrichtung des Hydraulikmotors. Üblicherweise wird hierbei ein Druckwaagensystem3.1 eingesetzt, das für einen Lastdruck unabhängigen Volumenstrom sorgt. - In beiden Arbeitskanälen
3.9 und3.10 des Steuerblocks befindet sich jeweils ein proportionales Wegeventil3.5 ,3.6 . Die Ventile werden elektrisch proportional angesteuert. Sie verbinden oder schließen den Arbeitskanal3.9 ,3.10 mit der Tankleitung10 . - Zwei Drucknachsaugventile
3.7 ,3.8 sind zwischen Arbeitsleitung3.9 ,3.10 und Tankleitung10 geschaltet. Ihre Aufgabe besteht darin zum einen unzulässig hohe Drücke in den Arbeitsleitungen zu vermeiden und zum anderen Ölmangel durch Nachsaugung aus dem Tank auszugleichen. - Der Hydromotor
5 wird von den beiden Arbeitsleitungen3.9 ,3.10 gespeist. Je nach Drehrichtung fungiert eine Arbeitsleitung als Zulauf zum Hydraulikmotor oder als Ablauf vom Hydraulikmotor. - Funktionsweise des Gesamtsystems
- Eine Konstantpumpe
2 fördert ständig eine Ölmenge, die von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängig ist, in den Hydrauliksteuerblock3 . Der Hydrauliksteuerblock verteilt abhängig von der Steuerstrategie den Ölstrom zum Hydraulikmotor5 . Ein fest mit den Drehwerksgetriebe verbundener Drehsensor6 liefert Drehzahl und Drehrichtung des Drehwerks an den Steuerrechner7 . Der Fahrerwunsch über Drehrichtung und Geschwindigkeit wird über den Steuerhebel9 an den Steuerrechner7 übermittelt. Je nach vorgewählter Steuerstrategie berechnet der Steuerrechner die Ventilströme für den Hydraulikblock3 . - Steuerungsvarianten
- 1. Offener Kreis mit Gegensteuern
- Im nicht angesteuerten Zustand ist der Zulaufkolben
3.2 in Sperrstellung und die beiden Wegeventile3.5 ,3.6 in geöffneter Stellung. Das von der Pumpe geförderte Öl wird über die Druckwaage3.1 zum Tank1 abgeleitet. - Ausgelöst durch ein Steuersignal wird je nach gewünschter Drehrichtung der Steuerschieber
3.3 oder3.4 elektrisch angesteuert und der Zulaufkolben3.2 in entsprechende Richtung ausgelenkt. Damit wird die Verbindung der Pumpenleitung11 zur Arbeitsleitung hergestellt. Je nach Arbeitsrichtung wird gleichzeitig das entsprechende Wegeventil3.5 oder3.6 in der Öl zuführenden Arbeitsleitung3.9 oder3.10 geschlossen. Somit kann sich in der entsprechenden Arbeitsleitung der zur Arbeitsbewegung notwendige Druck vor dem Hydromotor aufbauen. Die Druckwaage verschließt den Bypass zum Tank und der Hydromotor kann sich angetrieben durch das Hydrauliköl in Drehbewegung setzen. Das Ablaufende Öl auf der Gegenseite des Hydromotors kann drucklos über das noch geöffnete Ventil3.5 oder3.6 zum Tank abfließen. - Wird der Steuerhebel bei drehendem Hydromotor in die Neutrallage gebracht, wird der Zulaufkolben
3.2 durch die Vorsteuerung wieder in Mittelstellung (Sperrstellung) gebracht und die beiden Ablaufschieber3.5 oder3.6 geöffnet. Der Zulauf wird durch den Zulaufkolben3.2 unterbrochen. Durch die Trägheit des Systems kann der Hydromotor5 weiterdrehen und über die Wegeventile3.5 oder3.6 sowie3.7 oder3.8 Öl nachsaugen. Das von dem Hydromotor nun verdrängte Rücklauföl wird weiterhin über Wegeventile3.5 oder3.6 zum Tank fließen. Das Drehwerk kommt nach einiger Zeit durch die Systemwiderstände zum Stillstand. - Wird der Vorsteuerhebel bei frei drehendem Hydromotor in die Gegenrichtung ausgelenkt (der Steuerrechner erkennt dies mit Hilfe des Drehsensors), so wird das für das ablaufende Öl vorgesehene Wegeventil
3.5 oder3.6 proportional zur Ansteuerung geschlossen. Je nach Auslenkung des Steuerhebels vermindert sich so der Ablaufquerschnitt und erzeugt im Ölstrom einen Widerstand. Der Hydromotor wird durch diesen Widerstand abgebremst. Je höher die Gegensteuerung am Steuerhebel um so höher ist die Bremswirkung. Das Drehwerk kommt frühzeitig zum Stillstand. - Bleibt der Steuerhebel
9 nun in der Auslenkung so erkennt der Steuerrechner7 mit Hilfe des Drehsensors6 den Stillstand des Drehwerks und gibt die Ansteuerung der Gegenbewegung frei. Das Drehwerk fährt wie oben beschrieben in die Gegenrichtung weiter. - 2. Eingespannter Kreis
- Im nicht angesteuerten Zustand ist sowohl der Zulaufkolben
3.2 als auch die beiden Wegeventile3.5 und3.6 in Sperrstellung. Das von der Pumpe geförderte Öl wird über die Druckwaage3.1 zum Tank abgeleitet. - Wird der Steuerhebel ausgelenkt, so öffnen und schließen der Zulaufkolben
3.2 und die jeweilige Wegeventile3.5 oder3.6 proportional zur Steuerhebel Auslenkung. Hierbei steht der Ablaufquerschnitt am Wegeventil3.5 und3.6 im konstanten Verhältnis zur Zulaufmenge, sodass ein konstanter Ablaufdruck vorgespannt wird. Dies wird über die bekannten Kennlinien der Steuerschieber vom Steuerrechner7 berechnet. Über einen einstellbaren Faktor lässt sich so der Grad der Druckvorspannung variieren. Damit wird ein Weiterdrehen des Drehwerks beim Zurückstellen des Vorsteuerhebels weitestgehend unterdrückt. Die Drehbewegung lässt sich in dieser Steuerungsvariante punktgenau stoppen. - 3. Drucksteuerung
- Im nicht angesteuerten Zustand ist der Zulaufkolben
3.1 in Sperrstellung und die beiden Wegeventile3.5 und3.6 in geöffneter Stellung. Das von der Pumpe geförderte Öl wird über die Druckwaage3.1 zum Tank1 abgeleitet - Beim Ansteuern einer Drehrichtung wird der Zulaufkolben
3.2 schnell in die entsprechende Vollaussteuerung gebracht. Das Wegeventil3.5 oder3.6 in dem Arbeitskanal3.9 oder3.10 wird aber hier nicht sofort geschlossen. Das Schließen dieses Ventils erfolgt proportional zur Ansteuerung. Das zulaufende Öl kann zunächst über das noch geöffnete Wegeventil3.5 oder3.6 zum Tank abfließen. Durch größeres Auslenken des Steuerhebels9 wird das Wegeventil3.5 oder3.6 immer weiter geschlossen. Dadurch entsteht ein Staudruck in dem Arbeitskanal3.9 oder3.10 , der bis zum Lastdruck ansteigt und dann den Hydraulikmotor5 in Drehung versetzt. Weiteres Auslenken des Steuerhebels9 bewirkt ein weiteres Schließen des Wegeventils3.5 oder3.6 . Weniger Öl fließt zum Tank und mehr Öl fließt zum Motor5 , der sich somit schneller dreht, bis zur maximalen Geschwindigkeit bei geschlossenen Wegeventil3.5 oder3.6 . - Das Wegeventil
3.5 oder3.6 auf der Ablaufseite des Hydromotors5 wird in gleicher Weise wie im Offenen Kreis gesteuert. - Wird der Steuerhebel
9 in die Nulllage gestellt, schließt der Zulaufkolben3.2 und die beiden Wegeventile3.5 und3.6 öffnen gleichzeitig. Das Drehwerk kann frei weiterdrehen. Wie oben beschrieben ist ein Abbremsen durch Gegensteuern analog zum Offenen Kreis möglich. - 4. Bremsen mit Fußpedal
- Das Abbremsen oder Festsetzen eines Drehwerks kann zusätzlich mit einem Bremspedal
8 eingeleitet werden. Hierbei gibt das Bremspedal8 ein Steuersignal auf den Steuerrechner7 . Unabhängig von der Steuerungsart werden die Wegeventile3.5 und3.6 proportional zur Bremspedal Stellung geschlossen. Je nach Schließquerschnitt am Wegeventil3.5 und3.6 erzeugt das vom Hydraulikmotor5 ablaufende Hydrauliköl einen Staudruck in dem Arbeitskanal3.9 oder3.10 . Der Hydromotor5 und somit das Drehwerk werden abgebremst. Mit geschlossenem Wegeventil3.5 und3.6 kommt das Drehwerk vollständig zum Stillstand. Das in den Arbeitskanälen3.9 und3.10 eingespannte Öl verhindert ein weiteres Drehen. - Diese Bremsfunktion kann auch zum Anfahren gegen Seitenkräfte genutzt werden. Vor Ansteuerung der Drehbewegung mit dem Steuerhebel
9 werden zunächst die Wegeventile3.5 und3.6 über das Bremspedal8 geschlossen. Nach dem Ansteuern der Drehbewegung mittels Steuerhebel9 baut sich in dem Arbeitskanal3.9 oder3.10 der maximale Arbeitsdruck auf. Da die Wegeventile3.5 und3.6 geschlossen sind, kann sich der Hydraulikmotor5 nicht bewegen Bei dosierter Zurücknahme des Bremspedals8 , wird das entsprechende Wegeventil3.5 oder3.6 geöffnet. Der Ablauf vom Hydraulikmotor5 wird frei und es kann eine gewünschte Drehbewegung erfolgen. - 5. Arbeitsbereichsbegrenzung
- Üblicherweise wird in diesem Betrieb der Drehwinkel des Drehwerkes eingeschränkt. Die Drehbewegung muss an vorgegebenen Hindernissen punktgenau angehalten werden. Der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit werden durch den Drehsensor
6 erfasst. - Herkömmliche Drehwerkssteuerungen im Offenen Kreis können das punktgenaue Anhalten aufgrund unterschiedlichster Massenträgheiten nicht gewährleisten. Dazu muss eine mechanische Bremse zu Hilfe genommen werden. Auch hier wirken sich die unterschiedlichen Massenträgheitsmomente negativ auf das Bremsverhalten aus.
- Im Fall der neuen Steuerung werden in den Steuerungsarten Offener Kreis, Eingespannter Kreis und Drucksteuerung für die Drehbereichsbegrenzung die Wegeventile
3.5 oder3.6 abhängig von Drehgeschwindigkeit und Abstand zum Hindernis wegproportional geschlossen. Während des Schließens wird das vom Hydraulikmotor5 ablaufende Öl angestaut und damit die Drehgeschwindigkeit verringert bis sie bei geschlossenem Ventil zum Stillstand kommt. -
- 1
- Tank
- 2
- Hydraulikkonstantpumpe
- 3
- Hydrauliksteuerblock
- 3.1
- Druckwaagensystem
- 3.2
- Zulaufkolben
- 3.3 und 3.4
- proportionale Pilotventile
- 3.5 und 3.6
- proportionale Wegeventile
- 3.7 und 3.8
- Drucknachsaugventile
- 3.9 und 3.10
- Arbeitskanäle
- 4
- Feststellbremse
- 5
- Hydraulikmotor
- 6
- Drehsensor
- 7
- Steuerrechner
- 8
- Bremspedal
- 9
- Steuerhebel
- 10
- Tankleitung
- 11
- Pumpenleitung
Claims (7)
- Hydrauliksteuerkreis für ein einen Antrieb steuerndes Hydrauliksystem, insbesondere zur Steuerung eines Hydraulikmotors zum Antrieb eines Drehwerks eines Kranoberwagens, gekennzeichnet durch in den beiden Arbeitsleitungen zwischen einer Hydraulikkonstantpumpe (
2 ) und einem Hydraulikmotor (5 ) zur Steuerung des Drehwerkes angeordnete, getrennt ansteuerbare proportionale Pilotventile (3.3 ,3.4 ), sowie jeweils getrennt ansteuerbare proportionale Wegeventile (3.5 ,3.6 ) mittels der die Zu- und Ablaufmenge zum und vom Hydraulikmotor (5 ) und damit dessen Drehrichtung steuerbar sind. - Hydrauliksteuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegeventile (
3.5 ,3.6 ), der Hydraulikmotor (5 ) und eine Feststellbremse (4 ) für diesen an einen gemeinsamen Steuerrechner (7 ) angeschlossen sind, der über einen Steuerhebel (9 ) und ein Bremspedal (8 ) ansteuerbar ist. - Hydrauliksteuerkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerrechner (
7 ) über einen Drehsensor (6 ) am Hydraulikmotor (5 ) Drehzahl und Drehrichtung des Drehwerks übermittelbar sind. - Verfahren zum Betrieb des Hydrauliksteuerkreis gemäß den Ansprüchen 1–3 als offener Kreis mit Gegensteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass sich zunächst der Steuerschieber
3.2 in Sperrstellung und die beiden Wegeventile3.5 ,3.6 in geöffneter Stellung befinden, dass je nach gewünschter Drehrichtung der Steuerschieber3.3 oder3.4 elektrisch angesteuert und der Steuerschieber3.2 in entsprechende Richtung ausgelenkt wird, wobei je nach Drehrichtung gleichzeitig das entsprechende Wegeventil3.5 oder3.6 in der Öl zuführenden Arbeitsleitung3.9 oder3.10 geschlossen wird, dass zur Ansteuerung der Neutrallage der Steuerschieber3.2 in Mittelstellung (Sperrstellung) gebracht wird, wobei die beiden Wegeventile3.5 oder3.6 geöffnet geöffnet werden und dass zur Gegensteuerung die Wegeventile3.5 oder3.6 proportional zur Ansteuerung geschlossen werden. - Verfahren zum Betrieb des Hydrauliksteuerkreis gemäß den Ansprüchen 1–3 als Eingespannter Kreis, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst sowohl der Steuerschieber
3.2 als auch die beiden Wegeventile3.5 und3.6 sich in Sperrstellung befinden, dass durch Auslenkung des Steuerhebels der Steuerschieber3.2 und die jeweilige Wegeventile3.5 oder3.6 proportional zur Steuerhebel Auslenkung betätigt werden, wobei der Ablaufquerschnitt am Wegeventil3.5 und3.6 im konstanten Verhältnis zur Zulaufmenge steht, sodass ein konstanter Ablaufdruck vorgespannt wird, wodurch die Drehbewegung punktgenau stoppbar ist. - Verfahren zum Betrieb des Hydrauliksteuerkreis gemäß den Ansprüchen 1–3 als Drucksteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass sich zunächst der Steuerschieber
3.2 in Sperrstellung und die beiden Wegeventile3.5 und3.6 in geöffneter Stellung befinden, dass durch Ansteuern einer Drehrichtung der Steuerschieber schnell in die entsprechende Vollaussteuerung gebracht wird, wodurch das Schließen des Wegeventils3.5 oder3.6 proportional zur Ansteuerung erfolgt, so dass in dem Arbeitskanal3.9 oder3.10 , ein Staudruck entsteht, - Verfahren zum Betrieb des Hydrauliksteuerkreis gemäß den Ansprüchen 1–3 mit einer als Fußpedal ausgebildeten Bremse, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Stellung des Bremspedals die Wegeventile
3.5 und3.6 proportional geschlossen werden, wodurch das vom Hydraulikmotor5 ablaufende Hydrauliköl einen Staudruck in der Arbeitskanal3.9 oder3.10 aufbaut, der den Hydromotor5 und somit das Drehwerk abbremst.
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