DE102007051525B4

DE102007051525B4 - Hydraulisches Versorgungssystem mit einer Verstellpumpeneinrichtung

Info

Publication number: DE102007051525B4
Application number: DE102007051525A
Authority: DE
Inventors: Hans Esders
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: US20090107132A1; DE102007051525A1

Abstract

Hydraulisches Versorgungssystem mit einer Verstellpumpeneinrichtung (VP) zur Versorgung mindestens eines sicherheitskritischen, vorrangig zu versorgenden (SKS), und mindestens eines nicht-sicherheitskritischen (NSKS) Verbrauchers, wobei
– die Verstellpumpeneinrichtung (VP) zur Anpassung des von einer Pumpe (P) generierten Volumenstroms an die momentanen Anforderungen der Verbraucher ausgebildet ist und ein Fördervolumenstellventil (FSV) zur Regelung der Pumpe (P) aufweist,
– die Verstellpumpeneinrichtung (VP) schaltende, hydraulisch betätigte Ventile (AV, VV) umfasst, welche die vorrangige Versorgung des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers (SKS) bewirken und von einem hydraulischen Freigabesignal angesteuert werden, das im Bereich des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers (SKS) durch ein dort angeordnetes schaltendes, elektrisch ansteuerbares Freigabeventil (FV) generiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Versorgungssystem mit einer Verstellpumpeneinrichtung zur Versorgung mindestens je eines sicherheitskritischen, vorrangig zu versorgenden, und nicht-kritischen Verbrauchers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
DE 198 52 039 A1 zeigt ein Fahrzeug mit einem über eine Verstellpumpe angetriebenen hydrostatischen Antrieb. Die von einem Verbrennungsmotor betriebene Verstellpumpe liefert darüber hinaus hydraulische Energie für eine Arbeitshydraulik und eine Lenkeinrichtung. Dabei wird der Volumenstrom, welcher von der Verstellpumpe bereitgestellt wird, über ein Prioritätsventil bevorzugt zunächst der Lenkeinrichtung zugeführt. Das Prioritätsventil schaltet erst dann um, wenn ein gewisser Druck im Lenkungskreislauf vorhanden ist, der die Kraft der Rückstellfeder des Prioritätsventils überwindet. Nach Umschalten des Prioritätsventils wird der Volumenstrom der Verstellpumpe dann gedrosselt weiter an den Lenkungskreislauf abgegeben und der Rest der hydraulischen Energie steht der Arbeitshydraulik zum Verrichten von Arbeit, z. B. bei einem Gabelstapler zum Heben von Lasten, zur Verfügung.
Die am weitesten verbreitete Schaltung für hydraulische Systeme mit Verstellpumpe ist das Load Sensing System. Load Sensing Systeme gewährleisten eine Druck- und Volumenstromanpassung an die momentanen Anforderungen der Verbraucher, wobei der höchste im System auftretende Lastdruck an den Load Sensing Regler der Pumpe zurückgeführt und mit dem Pumpendruck verglichen wird, um deren Förderleistung entsprechend einzustellen. Derartige Systeme werden herkömmlich vielfach hydraulisch realisiert. Sie können aber auch über die gesamte Regelstrecke oder in Teilen davon elektronisch ausgeführt werden, was eine entsprechende Software sowie auf der Verbraucherseite eine entsprechende elektronische Lastdruckmeldeeinrichtung und/oder auf Seiten der Pumpe eine elektronische Pumpenregelung erfordert.
In einem elektronisch gesteuerten Hydrauliksystem ergeben sich sehr hohe Sicherheitsanforderungen, wenn sich dieses System auf Funktionen wie Lenkung, Anhängerbremse u. ä. erstreckt, bei denen ein Ausfall fatale Folgen haben kann. Andererseits muss die hydraulische Versorgung aber auch Subsysteme, wie die Arbeitshydraulik oder die sog. Komforthydraulik bedienen, bei denen keine vergleichbaren Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen, wie sie üblicherweise in SIL Stufen (Safety Integrity Level) d. h. als Anforderung an die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Sicherheitsfunktion angegeben werden. Gegebenenfalls müssen in den genannten Fällen entweder getrennte Versorgungssysteme in unterschiedlichen SIL Stufen eingerichtet werden, oder es müssen alle, also auch die an sich unkritischen Teilsysteme mit entsprechend hohem SIL Level ausgestattet werden.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine verbesserte hydraulische Versorgung von Verbrauchern mit unterschiedlichen SIL Anforderungen zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einem hydraulischen Versorgungssystem mit einer Verstellpumpeneinrichtung zur Versorgung mindestens eines sicherheitskritischen, vorrangig zu versorgenden, und mindestens eines nicht-sicherheitskritischen Verbrauchers die Verstellpumpeneinrichtung zur Anpassung des von einer Pumpe generierten Volumenstroms an die momentanen Anforderungen der Verbraucher ausgebildet ist und ein Fördervolumenstellventil zur Regelung der Pumpe sowie schaltende, hydraulisch betätigte Ventile aufweist, welche die vorrangige Versorgung des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers bewirken und von einem hydraulischen Freigabesignal angesteuert werden, das im Bereich des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers (SKS) generiert wird. In der Einrichtung zur Pumpenverstellung kann dadurch entweder ganz auf den Einsatz von Elektronik verzichtet werden oder, falls in diesem Bereich Elektronik eingesetzt wird, muss sie nicht die hohen Sicherheitsansprüche erfüllen, wie sie bspw. für die Lenkung oder das Bremssystem erforderlich sind.
Vorzugsweise weist das hydraulische Versorgungssystem ein schaltendes Freigabeventil auf, das den sicherheitskritischen Verbrauchern zugeordnet ist und das hydraulisches Freigabesignal generiert, das über eine Freigabeleitung den in der Verstellpumpeneinrichtung befindlichen schaltenden, hydraulisch betätigten Ventilen zuführbar ist. Die Freigabe der Versorgung nicht sicherheitskritischer Verbraucher erfolgt somit mit einem hydraulischen Signal an die Verstellpumpeneinrichtung, welches in dem oder den sicherheitskritischen Verbraucher(n) generiert wird. Die elektrische und elektronische Signalverarbeitung bleibt dabei auf die sicherheitskritischen Komponenten beschränkt, die ohnehin höheren Sicherheitsansprüchen genügen müssen. Vorteilhafterweise verbindet im Normalbetrieb das Freigabeventil die Freigabesignalleitung zur Beaufschlagung der Schaltventile mit der Versorgungsleitung der sicherheitskritischen Verbraucher, während es bei Auftreten einer Fehlfunktion diese Freigabesignalleitung zum Tank entlastet.
In Weiterbildungen der Erfindung umfassen die schaltenden, hydraulisch betätigten Ventile der Verstellpumpeneinrichtung ein Aufschwenkventil und ein Vorrangventil. Das Aufschwenkventil übt nach Maßgabe eines hydraulischen Freigabesignals in einer ersten Stellung keine Wirkung auf ein die Pumpenverstellung bewirkenden Servosystem aus und steuert in einer zweiten Stellung das Servosystem unabhängig vom Fördervolumenstromventil derart an, dass die Verstellpumpe auf maximales Fördervolumen aufschwenkt. Das Vorrangventil trennt nach Maßgabe des hydraulischen Freigabesignals in einer seiner beiden Stellungen die nicht-sicherheitskritischen Verbraucher von der Versorgung und leitet den Volumenstrom alleine den sicherheitskritischen Verbrauchern zu. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Störfall die volle Pumpenleistung den sicherheitskritischen Verbrauchern zur Verfügung steht Vorteilhafterweise umfasst die Verstellpumpeneinrichtung zusätzlich zum Fördervolumenstellventil ein Druckregelventil, welches das Fördervolumenstellventil bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes übersteuert und dadurch den Druck auf einen maximalen Wert begrenzt.
Die Erfindung lässt sich auch bei einer Mehrzahl sicherheitskritischer Verbraucher anwenden, denen jeweils ein Freigabeventil und eine Freigabeleitung zugeordnet sind. Hiezu ist eine hydraulische Schaltung vorgesehen, mit welcher der schwächste Freigabesignaldrucks ausgewählt wird. In der hydraulischen Schaltung zur Auswahl des schwächsten Freigabesignaldrucks werden jeweils zwei Freigabeleitungen mit einem durch die zu vergleichenden Drücke beaufschlagten Schaltventil miteinander verglichen und der schwächere Freigabesignaldruck weitergeleitet. Die Leitung mit dem schwächeren Freigabesignaldruck kann dann mit einer weiteren Freigabeleitung verglichen werden. Auf diese Weise kann die Anordnung fortgesetzt und der niedrigste Freigabesignaldruck ausgewählt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
Es zeigen:
1: Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit elektronischer Pumpenregelung;
2: Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit hydraulischer Pumpenregelung;
3: Eine Schaltung zur Ermittlung des Freigabesignals bei mehreren sicherheitskritischen Verbrauchern.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine Verstellpumpeneinrichtung VP fördert einen Volumenstrom über die Arbeitsleitung AL und versorgt verschiedene Verbraucher, die nicht im Einzelnen dargestellt und in den beiden Blöcken NSKS und SKS zusammengefasst sind, wobei NSKS die nicht sicherheitskritischen hydraulischen oder elektrohydraulischen Subsysteme, die also ebenso wie die Verstellpumpeneinrichtung VP nicht SIL-konform zu sein brauchen, und SKS die sicherheitskritischen elektrohydraulischen Subsysteme bezeichnen.
Die Verstellung der Pumpe P erfolgt mittels eines Servosystems S. Wenn der Zylinder des Servosystems zum Tank T hin entlastet wird, schwenkt die Pumpe P auf maximales Fördervolumen auf. Umgekehrt verschwenkt die Pumpe P in Richtung minimales Fördervolumen, wenn dem Zylinder des Servosystems S Hydraulikdruck zugeführt wird.
Der Regler für die Verstellpumpeneinrichtung VP weist ein Fördervolumenstellventil FSV und ein Druckregelventil DRV auf. Das Fördervolumenstellventil FSV wird im dargestellten Beispiel elektrisch nach Maßgabe der elektronischen Steuerung angesteuert. Über das Fördervolumenstellventil FSV wird das Servosystem S mit entsprechendem hydraulischem Druck versorgt und regelt auf diese Weise den Volumenstrom der Pumpe P so ein, dass genau der von den Verbrauchern geforderte Volumenstrom bereitgestellt wird. Wenn der Lastdruck sehr hoch ist, erreicht das Fördervolumenstellventil die in 1 gezeichnete Stellung. Um den maximalen Druck in der Arbeitsleitung zu begrenzen, wird das Fördervolumenstellventil FSV dann schließlich vom Druckregelventil DRV übersteuert. Dieses stellt das Fördervolumen so ein, dass der Maximaldruck gehalten aber nicht überschritten wird.
Grundsätzlich ist für das erfindungsgemäße Prinzip das Druckregelventil DRV nicht zwingend notwendig. Wenn es, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, sollte es bei der elektronischen Pumpenregelung näher am Pumpenstellzylinder des Servosystems S sein als das Fördervolumenstellventil FSV, um bei etwaigen Fehlfunktionen unerwartete Reaktionen auszuschließen. Die Verhältnisse sind diesbezüglich etwas anders als bei der hydraulischen Pumpenregelung, bei der die Reihenfolge von Förderstrom- und Druckregelventil keine Rolle spielt. Nachdem im gezeigten Beispiel das Fördervolumenstellventil elektronisch angesteuert wird, könnte diese Elektronik in Verbindung mit einer geeigneten Sensorik grundsätzlich auch die Funktion des Druckregelventils mit übernehmen. Es bringt aber Vorteile das Druckregelventil in der dargestellten Weise als mechanische Redundanz beizubehalten. Andernfalls könnte bei einer Fehlfunktion die Pumpe trotz hohen Drucks zum Aufschwenken veranlasst werden, was bspw. in der Folge den Motor eines Fahrantriebs abwürgen würde.
Das in 1 dargestellte System bewirkt eine hydraulisch priorisierte Versorgung der sicherheitskritischen Verbraucher im Falle einer Fehlfunktion des elektronischen Steuer- und Regelsystems. Diese bevorzugte Versorgung wird in der Verstellpumpeneinrichtung durch ein Aufschwenkventil AV und ein Vorrangventil VV sichergestellt, die jeweils hydraulisch durch ein Freigabesignal angesteuert werden. Dieses Freigabesignal wird durch ein elektrisch ansteuerbares Freigabeventil FV in dem sicherheitskritischen Teilsystem SKS generiert, dem gegenüber die Verstellpumpeneinrichtung wesentlich geringeren Sicherheitsanforderungen genügt.
Das Aufschwenkventil AV ist als Schaltventil zwischen dem Fördervolumenstellventil FSV und dem Druckbegrenzungsventil DRV angeordnet und hat in der gezeigten Stellung unter dem über die Freigabeleitung FGL anliegenden Druck des Freigabesignals keine Auswirkung auf die Pumpenregelung. Unterschreitet das Freigabesignal einen vorbestimmten Wert, nimmt das Aufschwenkventil aufgrund einer Rückstellfeder seine zweite Stellung ein und sorgt dafür, dass der Servozylinder S zum Tank T entlastet wird und die Pumpe bis zum Maximum aufschwenkt, wobei das Aufschwenkventil AV gegebenenfalls noch vom Druckregelventil DRV übersteuert wird. Das Fördervolumenstellventil hat dann ersichtlich keinen Einfluss mehr auf die Pumpenverstellung. Mit dem Aufschwenkventil AV kann somit unabhängig von den Vorgaben einer evtl. fehlerhaft arbeitenden Elektronik ein maximaler Volumenstrom bzw. ein maximaler Druck in der Arbeitsleitung AL bewirkt werden.
Das Vorrangventil VV ist ebenfalls ein reines Schaltventil mit minimalen Drosselverlusten. Unter hydraulischem Druck durch das Freigabesignal nimmt es die in 1 gezeigte Stellung ein, in der es den von der Pumpe gelieferten Volumenstrom sowohl den nicht-sicherheitskritischen als auch den sicherheitskritischen Verbrauchern zur Verfügung stellt. Bei Wegfall des Freigabesignals, bzw. wenn die von ihm ausgeübte Kraft diejenige einer Rückstellfeder unterschreitet, schaltet das Vorrangventil in seine zweite Stellung und stellt dadurch den Volumenstrom der Pumpe in vollem Umfang alleine dem sicherheitskritischen Teilsystem SKS zur Verfügung.
Das hydraulische Freigabesignal für die beiden Ventile AV und VV wird in dem sicherheitskritischen Teilsystem mit dem elektrisch betätigten Freigabeventil FV generiert. Im sicherheitskritischen Teilsystem SKS findet ohnehin eine SIL konforme elektronische Datenverarbeitung statt, so dass lediglich noch das Freigabeventil hinzugefügt werden muss. Über die Freigabeleitung FGL wird den beiden Ventilen AV, VV ausreichender Druck aus der zu den sicherheitskritischen Verbrauchern führenden Versorgungsleitung zur Verfügung gestellt. Über die Freigabeleitung fließt dabei kein permanenter Volumenstrom, so dass hierdurch praktisch keine Verlustleistung erzeugt wird.
Bei elektrischer Ansteuerung des Freigabeventils FV durch ein eine Fehlfunktion anzeigendes elektrisches Signal nimmt es seine zweite Schaltstellung ein, bei der es die Freigabeleitung von der Druckleitung trennt und statt dessen zum Tank entlastet, wodurch die Druckbelastung auf der in der 1 linken Seite des Aufschwenkventils AV und des Vorrangventils VV entfällt, so dass diese Ventile in ihre jeweils rechts gezeichnete Stellung schalten. Die Federn des Aufschwenk- und Vorrangventils AV, VV sind dabei so gewählt, dass sie schon bei relativ geringem Druck, bspw. bei 5 bar schalten. Dies wäre dann der stand-by Druck, den die Pumpe im regulären Betrieb immer aufrechterhalten muss.
Das vorstehend beschriebene Prinzip einer hydraulisch priorisierten Versorgung sicherheitskritischer Verbraucher lässt sich auch mit einer hydraulisch geregelten Pumpe realisieren. Dies ist in 2 am Beispiel einer klassischen Load Sensing Verstellung dargestellt. Für gleiche Bauteile und Baugruppen sind dabei die Bezugszeichen von 1 beibehalten. Das Fördervolumenstellventil wird gemäß 2 nicht mehr mit der Kraft eines Proportionalmagneten verstellt, sondern mit dem höchsten Lastdruck p_LS, der von dem angeschlossenen Load Sensing System über die Lastdruckmeldeleitung LML zurückgemeldet wird. Das Fördervolumen der Pumpe wird nun so eingeregelt, dass sich ein Gleichgewicht ergibt aus der Federkraft am Schieber des Fördervolumenstellventils einerseits und der Kraft aus dem Druck in der Lastdruckmeldeleitung andererseits. Dadurch wird die Druckdifferenz über der Zulaufsteuerkante des höchstbelasteten Verbrauchers konstant gehalten. Der höchste Lastdruck wird aus den Lastdrücken aller aktiven Verbraucher in bekannter Weise mit einer Kaskade aus Wechselventilen ermittelt. Die Pumpenverstellung ist ansonsten konstruktiv und auch in der Funktionsweise identisch mit der in 1, auf deren Beschreibung verwiesen wird.
Das vorgeschlagene Prinzip lässt sich auch auf mehrere sicherheitskritische Verbraucher ausdehnen. Zu diesem Zweck wird für die wirksame Freigabeleitung FGL der geringste aller Freigabesignaldrücke aus mehreren Freigabesignalleitungen FGL1, FGL2, FGL3 ausgewählt, wie in 3 dargestellt ist. Zwei Leitungen FGL1, FGL2 ist ein Schaltventil SV1 zugeordnet, das von beiden Seiten jeweils von einem der zu vergleichenden Drücke hydraulisch derart beaufschlagt wird, dass es den schwächeren der beiden weiterleitet. Mit der verbleibenden Leitung kann nun eine weitere Freigabesignalleitung FGL3 im Schaltventil SV2 verglichen werden. Dieses Vorgehen lässt sich im Grunde beliebig fortsetzen. Der danach verbleibende schwächste Freigabesignaldruck dient zur Beaufschlagung des Aufschwenk- und des Vorrangventils AV, VV.
Auf die beschriebene Weise lässt sich auch bei elektronisch geregelten Hydrauliksystemen eine Versorgung realisieren, die sicherheitskritische Verbraucher, wie Lenkung oder Anhängerbremse bei Ausfall elektronischer Komponenten bevorzugt versorgt und so einem hohen Sicherheitsstandard genügt.
Bezugszeichen

AL: Arbeitsleitung
AV: Aufschwenkventil
DRV: Druckregelventil
FGL: Freigabeleitung
FGL1: 1. Freigabeleitung
FGL2: 2. Freigabeleitung
FGL3: 3. Freigabeleitung
FV: Freigabeventil
FSV: Fördervolumenstellventil
LML: Lastmeldeleitung
NSKS: nicht sicherheitskritische Verbraucher
P: Pumpe
pLS: Lastdruck
S: Servosystem
SKS: sicherheitskritische Verbraucher
SV1, SV2: Schaltventile zur Auswahl des schwächeren Freigabesignaldrucks
T: Tank
VP: Verstellpumpeneinrichtung
VV: Vorrangventil

Claims

Hydraulisches Versorgungssystem mit einer Verstellpumpeneinrichtung (VP) zur Versorgung mindestens eines sicherheitskritischen, vorrangig zu versorgenden (SKS), und mindestens eines nicht-sicherheitskritischen (NSKS) Verbrauchers, wobei – die Verstellpumpeneinrichtung (VP) zur Anpassung des von einer Pumpe (P) generierten Volumenstroms an die momentanen Anforderungen der Verbraucher ausgebildet ist und ein Fördervolumenstellventil (FSV) zur Regelung der Pumpe (P) aufweist, – die Verstellpumpeneinrichtung (VP) schaltende, hydraulisch betätigte Ventile (AV, VV) umfasst, welche die vorrangige Versorgung des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers (SKS) bewirken und von einem hydraulischen Freigabesignal angesteuert werden, das im Bereich des mindestens einen sicherheitskritischen Verbrauchers (SKS) durch ein dort angeordnetes schaltendes, elektrisch ansteuerbares Freigabeventil (FV) generiert wird.
Hydraulisches Versorgungssystem nach Anspruch 1, bei welchem das hydraulische Freigabesignal über eine Freigabeleitung (FGL) den in der Verstellpumpeneinrichtung (VP) befindlichen, schaltenden, hydraulisch betätigten Ventilen (AV, VV) zuführbar ist.
Hydraulisches Versorgungssystem nach Anspruch 2, bei welchem das Freigabeventil (FV) im Normalbetrieb zur Beaufschlagung der Schaltventile die Freigabesignalleitung (FGL) mit der Versorgungsleitung sicherheitskritischer Verbraucher verbindet und bei Auftreten einer Fehlfunktion die Freigabesignalleitung (FGL) zum Tank entlastet.
Hydraulisches Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die schaltenden, hydraulisch betätigten Ventile der Verstellpumpeneinrichtung (VP) ein Aufschwenkventil (AV) umfassen, welches nach Maßgabe eines hydraulischen Freigabesignals in einer ersten Stellung keine Wirkung auf ein die Pumpenverstellung bewirkenden Servosystem (S) ausübt und in einer zweiten Stellung das Servosystem (S) unabhängig vom Fördervolumenstromventil (FSV) derart ansteuert, dass die Pumpe (P) auf maximales Fördervolumen aufschwenkt.
Hydraulisches Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die schaltenden, hydraulisch betätigten Ventile der Verstellpumpeneinrichtung (VP) ein Vorrangventil (VV) umfasssen, welches nach Maßgabe eines hydraulischen Freigabesignals in einer seiner beiden Stellungen nicht-sicherheitskritische Verbraucher (NSKS) von der Versorgung trennt und den Volumenstrom alleine sicherheitskritischen Verbrauchern (SKS) zuleitet.
Hydraulisches Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Verstellpumpeneinrichtung (VP) ein Druckregelventil (DRV) aufweist, welches das Fördervolumenstellventil (FSV) bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes übersteuert und dadurch den Druck auf einen maximalen Wert begrenzt.
Hydraulisches Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem eine Mehrzahl sicherheitskritischer Verbraucher (SKS) vorgesehen sind, denen jeweils ein Freigabeventil (FV) und eine Freigabeleitung (FGL1, FGL2, FGL3) zugeordnet sind, wobei eine hydraulische Schaltung zur Auswahl des schwächsten Freigabesignaldrucks (FGL) vorgesehen ist.
Hydraulisches Versorgungssystem nach Anspruch 7, bei welchem in der hydraulischen Schaltung zur Auswahl des schwächsten Freigabesignaldrucks (FGL) jeweils zwei Freigabeleitungen mit einem durch die zu vergleichenden Drücke beaufschlagten Schaltventil (SV1, SV2) verglichen und der schwächere Freigabesignaldruck weitergeleitet wird.
Hydraulisches Versorgungssystem nach Anspruch 8, bei welchem die Leitung mit dem schwächeren Freigabesignaldruck mit einer weiteren Freigabeleitung verglichen wird.