DE102011056894B4

DE102011056894B4 - Hydraulischer Linearantrieb

Info

Publication number: DE102011056894B4
Application number: DE201110056894
Authority: DE
Inventors: Dierk Peitsmeyer
Original assignee: Bucher Hydraulics GmbH
Current assignee: Bucher Hydraulics GmbH
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011056894A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Linearantrieb, mit einem Differentialzylinder (5), dessen beide Eingänge (5.1, 5.2) mit jeweils einem Ausgang (2.1, 2.2) eines hydraulischen Differentialtransformators (2) verbunden sind, einem drehzahlgeregelten Antriebsmotor (1) mit umschaltbarer Laufrichtung, der zum Antrieb des Differentialtransformators (2) dient, einem Ausspeisedruckbegrenzungs-ventil (7), dessen Ausgang (7.2) mit einem Vorratsbehälter (10) für Hydrauliköl verbunden ist, und einer Einspeisepumpe (8), deren Eingang (8.1) am Vorratsbehälter (10) angeschlossen ist. Beim Betrieb des Linearantriebs werden mittels eines Umschaltventils (6) der Eingang (7.1) des Ausspeisedruckbegrenzungs-ventils (7) und der Ausgang (8.2) der Einspeisepumpe (8) mit der Niederdruckseite des Differentialzylinders (2) verbunden. Beim Überschreiten eines festgelegten Maximaldrucks auf der Niederdruckseite lässt das Ausspeisedruckbegrenzungsventil (7) Hydrauliköl in den Vorratsbehälter (10) abfließen. Der Linearantrieb zeichnet sich durch eine sehr hohe Energieeffizienz und Betrieb in 4 Quadranten aus. Rekuperation von generatorisch am Antriebsmotor erbrachter Leistung ist möglich. Bei Wechseln der Lastrichtung in der Bewegung treten nur geringfügige Schwingungen und Sollwertabweichungen auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Linearantrieb mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, der auf einem hydraulischen Differentialtransformator und einem von diesem angetriebenen Differentialzylinder basiert. Der Linearantrieb kann in vier Quadranten betrieben werden. Ein gattungsgemäßer hydraulischer Linearantrieb ist aus DE 10 2007 025 742 A1 bekannt.
Hydraulische Linearantriebe, die für einen Betrieb in vier Quadranten geeignet sind, sind üblicherweise mit Differentialzylindern mit einer Widerstandsteuerung (Proportionalventil) realisiert, die im offenen Hydraulik-Kreis betrieben werden. Der Systemdruck wird mit Pumpen auf einem konstant hohen Wert, typischerweise 200–250 bar, gehalten, bei dem sichergestellt ist, dass der Linearantrieb bei vollständig geöffnetem Proportionalventil die erforderliche Maximalleistung erbringen kann. Kleinere Nutzleistungen werden über eine Drosselung mittels des Proportionalventils erreicht, bei der die überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird (Drosselverluste). Dies hat zur Folge, dass, insbesondere wenn der Linearantrieb häufig kleinere Leistungen als die Maximalleistung erbringen muss, sehr hohe Drosselverluste auftreten, welche die erbrachte Nutzleistung bei Weitem übersteigen können. Generatorisch am Linearantrieb verrichtete Arbeit (z. B. beim Abbremsen oder Senken von Lasten) kann nicht genutzt werden; vielmehr muss sogar für das Abbremsen oder Senken von Lasten Energie aufgewandt werden.
Um die Drosselverluste derartiger Systeme zu verringern, wurde versucht, den Systemdruck nicht mehr konstant zu halten, sondern in Abhängigkeit vom erforderlichen Lastdruck zu regeln (Loadsensing-Systeme). Die Systeme werden jedoch oft instabil und neigen zu starken Schwingungen. Hinzu kommt, dass die Drosselverluste zwar etwas verringert, jedoch nicht vollständig vermieden werden.
Des Weiteren sind auch Systeme mit Zylindern bekannt, die nach dem Verdrängerprinzip betrieben werden.
So ist in DE 32 17 527 A1 eine Steuereinrichtung für hydraulische, doppelt wirkende Arbeitszylinder (Differentialzylinder) offenbart, bei der ein Arbeitszylinder über eine drehzahl- und/oder hubverstellbare Hydroeinheit mit Druckmittel beaufschlagt wird. Die Hydroeinheit kann im Pumpenbetrieb und im Motorbetrieb arbeiten, sodass der Kolben des Arbeitszylinders in beiden Bewegungsrichtungen angetrieben werden kann und außerdem beim Antrieb des Kolbens durch eine äußere Last die Bremsenergie in der Hydroeinheit zurückgewonnen wird.
Mit der Steuereinrichtung kann zwar ein Linearantrieb ohne Drosselverluste und mit der Möglichkeit zur Rekuperation aufgebaut werden, ein 4-Quadranten Betrieb ist jedoch nicht möglich, da der Antrieb prinzipbedingt bei jeder Umkehr der Last angehalten werden muss und erst nach einer Schaltpause weiter bewegt werden kann.
DE 10 2010 009 713 A1 zeigt einen Antrieb für einen Bagger (mit einer Reihe von Einzelantrieben, wie einem Drehwerksantrieb, einem Hubantrieb, einem Löffelantrieb und einem Stielantrieb), der mehrere Differentialzylinder und einen hydraulischen Differentialtransformator umfasst, wobei für den Drehwerksantrieb zwei reversierbare Verstelleinheiten vorgesehen sind, die zumindest mit einem Energiespeicher gekoppelt sind. Der hydraulische Differentialtransformator ist mit einem Konstantantrieb (konstante Drehzahl) und zwei Schwenkpumpen realisiert (d. h. Pumpen, bei denen, zur Veränderung des Fördervolumens bei konstanter Drehzahl, der Schwenkwinkel stufenlos verstellt werden kann). Schwenkpumpen sind sehr kostenintensiv. Da die Schwenkpumpen auch angetrieben werden, wenn keine Nutzleistung entnommen wird, treten weiterhin Verlustleistungen auf. Nachteilig ist auch, dass die Schwenkpumpen nur ab einer bestimmten Baugröße erhältlich sind.
DE 44 16 723 A1 zeigt einen Antrieb mit einem Hydrotransformator, der mit einem Gleichgangzylinder in 4 Quadranten arbeitet. Alternativ kann mit einem Differentialzylinder eine Last nur gehoben und gesenkt werden (2 Quadrantenbetrieb). Beim Einsatz von Gleichgangzylindern stört die zweite Zylinderstange wegen des zusätzlichen Raumbedarfs. Die Lösung wird deshalb im Maschinenbau üblicherweise abgelehnt. Bei der Lösung mit einem Differentialzylinder ist ein Wechsel der Lastrichtung beim Senken (z. B. Senken mit anschließendem Pressen) nicht möglich.
DE 102 14 225 C1 zeigt einen Antrieb mit zwei Hydrotransformatoren (jeweils einen für die Zylinderkolbenseite und einen für die Zylinderringseite), mit dem ein 4 Quadrantenbetrieb möglich ist. Der Einsatz von zwei Hydrotransformatoren (inkl. Steuerung) in einem Antrieb ist sehr aufwendig und hat sich als nicht wirtschaftlich erwiesen.
In US 2011/0030364 A1 wird ein Steuersystem für Hydrauliköl gezeigt, bei dem jeweils ein hydraulischer Anschluss einer elektrisch betriebenen, bidirektionalen Pumpe mit einem Eingang eines Differentialzylinders verbunden ist. Das Flächenverhältnis des Zylinders (A1:A2 mit, Kolbenfläche A2: Ringfläche des Differentialzylinders auf Seite 1 bzw. 2) weicht stark vom Verhältnis der Fördermenge der Pumpe (d. h. Fördermenge der Pumpe in Richtung 1 bzw. 2) ab, da bei der bidirektionalen Pumpe Q1 = Q2 gilt. Infolgedessen müssen hohe Ausgleichsmengen aufgrund vom Differenzvolumen des Differentialzylinders fließen, was zu einer Verringerung der Energieeffizienz und zu einer hohen Schwingungsneigung bei den mit dem Steuersystem betriebenen hydraulischen Antrieben führt. Die Erfindung ist papierner Stand der Technik geblieben.
Die WO 02/04820 A1 zeigt einen hydraulischen Linearantrieb, bei dem Druckmesser den Druck an jeweils einem Eingang des Differentialtransformators ermitteln. Die Druckwerte werden in der Steuerung zur Ansteuerung des drehzahlgeregelten Antriebsmotors und der Wegsitzventile verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in vier Quadranten betreibbaren, hydraulischen Linearantrieb mit einem Differentialzylinder zu finden, der sich gegenüber herkömmlichen hydraulischen Linearantrieben durch eine sehr hohe Energieeffizienz auszeichnet. Der Linearantrieb soll kostengünstig und mit wenigen standardisierten Bauteilen in nahezu beliebiger Baugröße herstellbar sein. Bei Wechseln der Lastrichtung in der Bewegung sollen trotz der Kompressibilität des Hydrauliköls nur geringfügige Schwingungen und Geschwindigkeitseinbrüche auftreten. Zur Minimierung von Verlusten soll, wenn keine Nutzleistung abgegeben wird, auch keine Antriebsleistung erforderlich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen hydraulischen Linearantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
Nach Maßgabe der Erfindung weist der hydraulische Linearantrieb einen Differentialzylinder, dessen beide Eingänge mit jeweils einem Ausgang eines hydraulischen Differentialtransformators verbunden sind, einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor mit umschaltbarer Laufrichtung, der als Antriebsmotor des hydraulischen Differentialtransformators dient, ein Ausspeisedruckbegrenzungsventil, dessen Eingang mit dem Einspeisekreis verbunden ist, eine Einspeisepumpe, deren Eingang an einem Vorratsbehälter für Hydrauliköl angeschlossen ist, zwei Sitzventile, um die Anschlüsse des Differentialzylinders zur Lasthaltung abzusperren, ein Umschaltventil und eine Steuerung auf.
Das Umschaltventil verbindet in einer ersten Stellung den Eingang des Ausspeisedruckbegrenzungsventils und den Ausgang der Einspeisepumpe mit der einen Seite, in einer zweiten Stellung mit der anderen Seite des Differentialtransformators.
Unter Last liegt an einem Eingang des Druckzylinders immer ein höherer (Hochdruckseite) und am anderen Eingang ein niedrigerer Druck (Niederdruckseite) an. Mit der (Druck-)Steuerung wird das Umschaltventil so gestellt, dass es die Niederdruckseite des Differentialtransformators mit dem Eingang des Ausspeisedruckbegrenzungsventils und dem Ausgang der Einspeisepumpe verbindet. Bei einem Wechsel der Lastrichtung schaltet das Umschaltventil, da dann die vorherige Hochdruckseite zur Niederdruckseite wird.
Die Einspeisepumpe ist immer in Betrieb, wobei allerdings ihre Fördermenge relativ gering ist, da sie nur dazu dient, Ungenauigkeiten vom Flächenverhältnis des Zylinders zum Verhältnis der Fördermengen der Verdrängereinheiten/Pumpen (A1:A2 ≠ Q1:(Q1 + Q2)) sowie innere Leckagen auszugleichen. Der durch die Einspeisepumpe aufgebaute Einspeisedruck wird mit dem Ausspeisedruckbegrenzungsventil begrenzt, indem dieses beim Überschreiten eines bestimmten Maximaldrucks, der üblicherweise ca. 5 bis 15 bar beträgt, öffnet. Das System wird durch die Einspeisepumpe (und ggf. Sicherheitsventile mit einer Einspeisefunktion) sowie das Ausspeisedruckbegrenzungsventil immer mit dem Speisedruck gefüllt.
Um die Anschlüsse des Differentialzylinders zur Lasthaltung abzusperren (die Absperrung bewirkt, dass der Linearantrieb auch bei abgeschaltetem Antriebsmotor in Position gehalten wird), ist vor den ersten Eingang des Differentialzylinders ein erstes Wegsitzventil und vor den zweiten Eingang des Differentialzylinders ein zweites Wegsitzventil geschaltet. In ihrer geschlossenen Position wirken die Wegsitzventile wie Rückschlagventile, die einen Fluss von Hydrauliköl zulassen, wenn der Druck auf der Seite des Differentialzylinders (d. h. auf der mit dem zugehörigen Eingang des Differentialzylinders verbundenen Seite) kleiner als der Druck auf der Seite des Differentialtransformators (d. h. auf der mit dem zugehörigen Ausgang des Differentialtransformators verbundenen Seite) ist, und die andernfalls (d. h. wenn der Druck auf der Seite des Differentialzylinders größer ist als der Druck auf der Seite des Differentialtransformators) absperren (d. h. den Fluss von Hydrauliköl sperren). Im geschalteten Zustand sind die Wegsitzventile vollständig offen, d. h. sie lassen Hydrauliköl in beide Richtungen ungehindert (von ihrem Strömungswiderstand abgesehen) passieren. Die Steuerung ist so eingestellt, dass während des Verfahrens des Linearantriebs das Wegsitzventil, das sich auf der Ablaufseite (Flussrichtung des Hydrauliköls vom Differentialzylinder zum Differentialtrafo) befindet, geschaltet wird und das andere Wegsitzventil auf der Zulaufseite (Flussrichtung des Hydrauliköls vom Differentialtrafo zum Differentialzylinder) in der nicht geschalteten Position bleibt. Da beim Verfahren des Linearantriebs auf der Zulaufseite der Druck der Pumpenseite höher als der Druck der Zylinderseite ist, kann Hydrauliköl auch dann von der Pumpe zum Differentialzylinder fließen, wenn sich das betreffende Wegsitzventil in seiner nicht geschalteten Position befindet (s. Wirkung des Wegsitzventils als Einwegventil im nicht geschalteten Zustand).
Die Steuerung des erfindungsgemäßen Linearantriebs, die für das erforderliche Ein- und Ausspeisen von Hydrauliköl auf der Niederdruckseite sorgt, ist mittels eigengesteuerter Komponenten, die unmittelbar durch die an ihren Wirkflächen anliegenden Druckwerte geschaltet werden, realisiert. Im Gegensatz dazu werden die Komponenten, mit deren Hilfe die Bewegungen bzw. ein Feststellen des Linearantriebs bewerkstelligt wird, nämlich der drehzahlgeregelten Antriebsmotor und die Wegsitzventile, extern angesteuert.
Es ist zwar prinzipiell möglich, einen aus Differentialtransformator und Differentialzylinder bestehenden Antrieb in einem halbgeschlossenen Kreis zu betreiben; hierzu müssen jedoch die Volumina vom hydraulischen Differentialtransformator und Differentialzylinder so genau aufeinander abgestimmt werden, dass die auftretenden Volumendifferenzen (ohne dass zu hohe Druckeinspannungen oder Füllungsmängel auftreten) über die vergleichsweise geringe Elastizität des Öls/der Leitungen aufgenommen werden können. Solche Systeme, z. B. Systeme, die unter Verwendung von zwei speziell angepassten Pumpen aufgebaut sind, sind jedoch sehr teuer, da für ihren Aufbau regelmäßig nicht standardisierte Teile verwendet werden müssen.
Der erfindungsgemäße hydraulische Linearantrieb besteht aus einem halbgeschlossenen Kreis, d. h. die erste Pumpenstufe des hydraulischen Differentialtransformators arbeitet im geschlossenen Kreis, während die zweite Pumpenstufe zur Förderung (offener Kreis) des Differenzvolumens dient, das, da standardisierte Teile verwendet werden sollen, nicht exakt der Volumendifferenz zwischen den beiden Seiten des Differentialzylinders entspricht.
Mit dem Ausspeisedruckbegrenzungsventil, der Einspeisepumpe mit Speicher sowie ggf. den Sicherheitsventilen/Einspeiseventilen werden die Volumendifferenzen zwischen dem hydraulischen Differentialtransformator, die sich aufgrund der Verwendung von standardisierten Teilen einstellen, ausgeglichen. Druckeinspannungen oder Füllungsmängel werden so sicher vermieden.
Da der hydraulische Linearantrieb mit einer reinen Verdrängungssteuerung betrieben wird, treten beim Betrieb keine Drosselverluste auf; er kann folglich wesentlich energieeffizienter als herkömmliche hydraulische Linearantriebe (offener Kreis, Widerstandsteuerung) betrieben werden. Beim erfindungsgemäßen Linearantrieb muss von den Ölkühlern keine Wärme, die aufgrund von Drosselverlusten entsteht, abgeführt werden; er kommt deshalb mit wesentlich kleineren Ölkühlern aus oder es kann sogar ganz auf Ölkühler verzichtet werden.
Unter Einwirkung von Druck wird Hydrauliköl komprimiert (ca. 0,7% bei 100 bar). Grund hierfür sind feine Luftbläschen im Hydrauliköl. Wird im erfindungsgemäßen Linearantrieb der Druck auf der Hochdruckseite schlagartig (Anfahren des Antriebsmotors) erhöht, nimmt das Gesamtvolumen des Hydrauliköls aufgrund der Kompression schlagartig ab. Um hierdurch bedingte, kurzfristige Volumenschwankungen noch besser ausgleichen zu können, ist ein Hydrospeicher zur Unterstützung der Einspeisepumpe vorgesehen.
Beim Wiederanfahren (d. h. wenn für eine gewisse Zeit die beiden Wegsitzventile geschlossen und der Antriebsmotor abgeschaltet war) können bei hohen Lasten beim Schalten/Öffnen der Wegsitzventile Dekompressionsschläge auftreten. Um dies zu vermeiden, sind jeweils zwischen dem Wegsitzventil und dem ersten/zweiten Eingang des Differentialzylinders ein erster/zweiter Zylinder-Drucksensor und zwischen dem Wegsitzventil und dem ersten/zweiten Ausgang des Differentialtransformators ein erster/zweiter Pumpen-Drucksensor geschaltet. Die Steuerung des Linearantriebs ist derart eingerichtet, dass sie vor jedem Wiederanfahren des Linearantriebs (vor dem Schalten/Öffnen des jeweiligen Wegsitzventils) auf derjenigen Druck-Seite, die beim Anfahren des Linearantriebs in der gewünschten Verfahrrichtung zur Ablaufseite wird, die Druckwerte des betreffenden Zylinder-Drucksensors und des betreffenden Pumpen-Drucksensors (d. h. der Drucksensoren, die sich auf der zukünftigen Ablaufseite befinden) ermittelt. Falls der vom betreffenden Zylinder-Drucksensor ermittelte Druckwert mindestens 10 bar (bevorzugt mindestens 30 bar) höher als der Druckwert, vom betreffenden Pumpen-Drucksensor ist, lässt die Steuerung den Antriebsmotor des hydraulischen Transformators zuerst so lange in entgegengesetzter Drehrichtung (d. h. in der Drehrichtung, die der Drehrichtung zum Verfahren des Linearantriebs in der später vorgesehenen Verfahrrichtung entgegengesetzt ist) drehen, bis die Differenz der Druckwerte vom betreffenden Zylinder-Drucksensor und vom betreffenden Pumpen-Drucksensor einen Wert von 10 bar (vorzugsweise 30 bar) unterschreitet. Erst dann stellt die Steuerung die Drehrichtung des Antriebsmotors so ein, dass der Linearantrieb eine Bewegung in der vorgesehenen Verfahrrichtung ausführen kann (d. h. die Drehrichtung wird von der Steuerung umgekehrt) und schaltet/öffnet (praktisch zeitgleich) das Wegsitzventil auf der Ablaufseite während das Wegsitzventil auf der Zulaufseite als Rückschlagventil arbeitet.
In den Einspeisekreis (d. h. in die mit dem Ausgang der Einspeisepumpe verbundene Hydraulikleitung) des Linearantriebs kann ein Ölfilter eingebracht sein, der Feststoffpartikel (z. B. größer als 10 μm) im Hydrauliköl zurückhält. Auf diese Weise werden insbesondere Hydraulikkomponenten mit bewegten Teilen vor erhöhtem Verschleiß geschützt. Feststoffpartikel werden einerseits durch Abrieb innerhalb des Hydraulikkreises erzeugt, andererseits können auch Partikel von außen in den Hydraulikkreis gelangen. So ist bekannt, dass insbesondere bei Hydraulikmaschinen, die unter staubigen/schmutzigen Bedingungen betrieben werden, wie z. B. Baumaschinen, (selbst bei intakten Zylinderstangendichtungen) Partikel über die Hydraulikzylinder in das Hydrauliköl gelangen können.
Da Luft im Hydrauliksystem zu Funktionsstörungen, wie Verzögerungen, Schwingungen und Druckspitzen führen kann, ist zudem eine gute Entlüftung des Systems erforderlich. Im zur Atmosphäre (Umgebung) hin offen Vorratsbehälter kann das Hydrauliköl (ggf. in ihm enthaltene) Luft abgeben, sodass mit Hilfe der Einspeisepumpe (des Einspeisekreises) auch eine effektive Entlüftung des Systems erreicht wird.
Hydraulische Differentialtransformatoren sind aus mehreren (z. B. zwei) gekoppelten (z. B. parallel geschalteten) Verdrängereinheiten/Pumpen (z. B. Zahnradpumpen oder Kolbenpumpen) aufgebaut, die synchron mit einem drehzahlgeregelten Antriebsmotor betrieben werden. Als Antriebsmotor kann z. B. ein elektrisch betriebener Servomotor (der Linearantrieb ist dann als Hybridmaschine realisiert) oder ein hydraulischer Motor (rein hydraulischer Linearantrieb) mit Sekundärregelung eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Linearmotors werden für die erste und die zweite Pumpenstufe Konstantpumpen, z. B. Zahnradpumpen oder Kolbenpumpen, eingesetzt, die synchron mit einem drehzahlgeregelten Antriebsmotor betrieben werden. Diese Ausführungsform kann sehr kostengünstig, z. B. unter Einsatz von Zahnradpumpen, realisiert werden, hat jedoch den Nachteil, dass (bei der Verwendung von Standardkomponenten) die Förderleistungen des Differentialtransformators in den beiden Förderrichtungen nur grob auf die jeweiligen Flächen des Differentialzylinders abgestimmt sind (d. h. A1:A2 ≠ Q1:(Q1 + Q2)). Diese Ungenauigkeiten werden zwar mittels des Ausspeisedruckbegrenzungsventils und der Einspeisepumpe (durch Ausgleichströmungen des Hydrauliköls) kompensiert, treten jedoch große Ungenauigkeiten/hohe Ausgleichströmungen auf, dann können Schwingungen beim Betrieb des Linearantriebs nicht immer vermieden werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Pumpenstufe mit einer mechanischen Einstelleinrichtung ausgestattet, mittels derer das spezifische Verdrängervolumen eingestellt werden kann. Als zweite Pumpenstufe können z. B. Axial- oder Radialkolbenpumpen eingesetzt werden, die mit einer mechanisch einstellbaren Verschwenkeinrichtung/mit einer mechanischen Begrenzung ausgestattet sind. Die Einstelleinrichtung wird, üblicherweise einmalig bei der Inbetriebnahme (und gegebenenfalls bei späteren Servicearbeiten), so justiert, dass die Förderleistungen des Differentialtransformators in den beiden Förderrichtungen exakt (im Rahmen der Einstellgenauigkeit) auf die jeweiligen Flächen des Differentialzylinders abgestimmt sind (d. h. A1:A2 = Q1:(Q1 + Q2)). Hierdurch werden die Ausgleichsströmungen (Differenzmengen) minimiert (sie werden praktisch nur noch von den Pumpenleckagen und Toleranzen verursacht) und Schwingungen des Linearantriebs vermieden. Die erste Pumpenstufe (bidirektionale Pumpe), ist üblicherweise eine Konstantpumpe, z. B. eine kostengünstige Zahnradpumpe.
Vorzugsweise werden Antriebsmotoren eingesetzt, die auch als Generator betrieben werden können, wodurch eine Energierückgewinnung durch die generatorische Leistung beim Abbremsen oder Senken von Lasten ermöglicht wird. Die zurückgewonnene Energie kann gespeichert/regeneriert und so die Energieeffizienz des erfindungsgemäßen hydraulischen Linearantriebs weiter gesteigert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen:
1: Schaltbild eines hydraulischen Linearantriebs mit einem drehzahlgeregelten elektrischen Antriebsmotor,
2: Schaltbild eines hydraulischen Linearantriebs mit einem sekundär geregelten hydraulischen Antrieb.
Der in 1 dargestellte hydraulische Linearantrieb besteht im Wesentlichen aus dem vom Antriebsmotor 1, der als drehzahlgeregelter elektrischer Antriebsmotor realisiert ist, angetriebenen hydraulischen Differentialtransformator 2, der eine erste 3 und eine zweite Pumpenstufe 4 aufweist, und dem Differentialzylinder 5, wobei der erste Ausgang 2.1 des Differentialtransformators 2 mit dem ersten Eingang 5.1 des Differentialzylinders 5 und der zweite Ausgang 2.2 des Differentialtransformators 2 mit dem zweiten Eingang 5.2 des Differentialzylinders 5 verbunden ist.
Das Umschaltventil 6 ist sowohl mit seinen beiden hydraulischen Eingängen 6.1, 6.2 als auch mit den beiden Eingängen für die Druckschalter 6.3, 6.4 (Eigensteuerung) parallel zu den Ausgängen 2.1, 2.2 des Differentialtransformators 2 und den Eingängen 5.1, 5.2 des Differentialzylinders 5 geschaltet. Der Ausgang 6.5 des Umschaltventils 6 ist mit dem Eingang 7.1 des Ausspeisedruckbegrenzungsventils 7, mit dem Ausgang 8.2 der Einspeisepumpe 8 und mit dem Hydrospeicher 9 verbunden. Der Ausgang 7.2 des Ausspeisedruckbegrenzungsventils 7 und der Eingang 8.1 der Einspeisepumpe 8 sind an den Vorratsbehälter 10 (Einspeisekreis) angeschlossen.
In jede der Zuleitungen zu den Eingängen 5.1, 5.2 des Differentialzylinders 5 ist jeweils ein Wegsitzventil 11, 12 geschaltet. Die beiden Sicherheitsventile 13, 14 öffnen bei einem Druck, der größer ist als der zulässige Druck (z. B. 200 bar), und schützen so den hydraulischen Linearantrieb vor übermäßigen Druckbelastungen im Fehlerfall. Die Sicherheitsventile 13, 14 haben zudem eine Einspeisefunktion (um Füllungsmangel zu verhindern). Alternativ können die Einspeiseventile auch als separate Rückschlagventile ausgeführt sein.
Die zweite Pumpenstufe 4 des Differentialtransformators 2, welche die Differenzmenge (an Hydrauliköl) über den dritten Ausgang 2.3 (wirkt auch als Eingang) des Differentialtransformators 2 vom Vorratsbehälter 10 zum Differentialzylinder 5 oder umgekehrt (vom Differentialzylinder 5 zum Vorratsbehälter 10) fördert, ist als Kolbenpumpe ausgeführt, deren Fördermenge abhängig von der Drehzahl des Antriebsmotors 1 durch einen mechanischen Anschlag einstellbar ist. Statt der Kolbenpumpe (mit mechanischer Begrenzung) kann auch eine Konstantpumpe, wie z. B. eine Zahnradpumpe, eingesetzt werden (ein solches System ist kostengünstiger, bedingt jedoch eine geringe Abweichung vom Zylinderflächen-/Pumpenverhältnis). Die erste Pumpenstufe 3 ist mit einer bidirektionalen Konstantpumpe aufgebaut.
Zylinderseitig ist in die Hydraulikleitungen vor den Wegsitzventilen 11, 12 jeweils ein erster 15.1 und ein zweiter 15.2 Zylinder-Drucksensor, pumpenseitig ist jeweils ein erster 16.1 und ein zweiter 16.2 Pumpen-Drucksensor eingebracht. Die Drucksensoren messen die Drücke in den jeweiligen Leitungsabschnitten. Ist beim Wiederanfahren des Linearantriebs (Wegsitzventile 11, 12 waren eine Zeit lang geschlossen) die Druckdifferenz zwischen dem Paar aus Zylinder- und Pumpen-Drucksensor, dass nach dem Anfahren des Linearantriebs zur Ablaufseite wird, größer als 20 bis 30 bar, dann dreht der Antriebsmotor für Sekundenbruchteile (50–500 ms) zuerst in entgegengesetzter Richtung, bis die Druckdifferenz weitgehend abgebaut ist. Erst dann dreht der Antriebsmotor 1 in der vorgesehenen Richtung und das Wegsitzventil auf der Ablaufseite wird geschaltet/geöffnet.
Direkt hinter dem Ausgang der Einspeisepumpe 8 ist ein Ölfilter 17 angeordnet, der Feststoffpartikel im Hydrauliköl, die größer als 10 μm sind, zurückhält und so die bewegten Teile (im Hydraulikkreis) des Linearantriebs vor erhöhtem Verschleiß schützt.
Alternativ kann der Ölfilter 17 auch am Ausgang des Ausspeisedruckventils 7 angeordnet sein.
Der in 2 gezeigte Linearantrieb ist analog aufgebaut wie der in der 1 dargestellte, mit dem Unterschied, dass als Antriebsmotor 1 kein Elektromotor, sondern ein sekundär geregelter hydraulischer Antrieb eingesetzt ist.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsmotor
2: Differentialtransformator
2.1: erster Ausgang des Differentialtransformators
2.2: zweiter Ausgang des Differentialtransformators
2.3: dritter Ausgang des Differentialtransformators
3: erste Pumpenstufe des Differentialtransformators/Konstantpumpe
4: zweite Pumpenstufe des Differentialtransformators/einstellbare Pumpe
5: Differentialzylinder
5.1: erster Eingang des Differentialzylinders
5.2: zweiter Eingang des Differentialzylinders
6: Umschaltventil
6.1: erster Eingang des Umschaltventils
6.2: zweiter Eingang des Umschaltventils
6.3: erster Eingang zum Druckmesser
6.4: zweiter Eingang zum Druckmesser
6.5: Ausgang des Umschaltventils
7: Ausspeisedruckbegrenzungsventil
7.1: Eingang des Ausspeisedruckbegrenzungsventils
7.2: Ausgang des Ausspeisedruckbegrenzungsventils
8: Einspeisepumpe
8.1: Eingang der Einspeisepumpe
8.2: Ausgang der Einspeisepumpe
9: Hydrospeicher
10: Vorratsbehälter/Einspeisekreis
11: erstes Wegsitzventil
12: zweites Wegsitzventil
13: erstes Sicherheitsventil
14: zweites Sicherheitsventil
15.1: Erster Zylinder-Drucksensor
15.2: Zweiter Zylinder-Drucksensor
16.1: Erster Pumpen-Drucksensor
16.2: Zweiter Pumpen-Drucksensor
17: Ölfilter

Claims

Hydraulischer Linearantrieb mit einem Differentialzylinder (5), dessen beiden Eingänge (5.1, 5.2) mit jeweils einem Ausgang (2.1, 2.2) eines hydraulischen Differentialtransformators (2) verbunden sind, einem drehzahlgeregelten Antriebsmotor (1) mit umschaltbarer Laufrichtung, der zum Antrieb des Differentialtransformators (2) dient, einem Ausspeisedruckbegrenzungsventil (7), dessen Ausgang (7.2) mit einem Vorratsbehälter (10) für Hydrauliköl verbunden ist, einer Einspeisepumpe (8), deren Eingang (8.1) am Vorratsbehälter (10) angeschlossen ist, einem Umschaltventil (6), das in seiner ersten Stellung den Eingang (7.1) des Ausspeisedruckbegrenzungsventils (7) sowie den Ausgang (8.2) der Einspeisepumpe (8) mit dem ersten Ausgang (2.1) des Differentialtransformators (2) und in seiner zweiten Stellung den Eingang (7.1) des Ausspeisedruckbegrenzungsventils (7) sowie den Ausgang (8.2) der Einspeisepumpe (8) mit dem zweiten Ausgang (2.2) des Differentialtransformators verbindet, und einer Steuerung, mittels derer bewirkt wird, dass beim Betrieb des Linearantriebs das Umschaltventil (6) den Eingang (7.1) des Ausspeisedruckbegrenzungsventils (7) sowie den Ausgang (8.2) der Einspeisepumpe (8) mit demjenigen Eingang (5.1, 5.2) des Differentialzylinders (5) verbindet, an dem der niedrigere Druck vorherrscht, wobei die Einspeisepumpe (8) Hydrauliköl zur Niederdruckseite pumpt, und das Ausspeisedruckbegrenzungsventil (7) beim Überschreiten eines festgelegten Maximaldrucks auf der Niederdruckseite Hydrauliköl in den Vorratsbehälter (10) abfließen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass – der hydraulische Linearantrieb zwei Druckmesser (6.3, 6.4) aufweist, die den Druck an jeweils einem der Ausgänge (2.1, 2.2) des Differentialtransformators (2) ermitteln, – vor den ersten Eingang (5.1) des Differentialzylinders (5) ein erstes Wegsitzventil (11) und vor den zweiten Eingang (5.2) des Differentialzylinders (5) ein zweites Wegsitzventil (12) geschaltet ist, durch deren Schließen der Linearantrieb auch bei abgeschaltetem Antriebsmotor (1) in Position gehalten wird, wobei die Wegsitzventile (11, 12) in der nicht geschalteten Position wie Rückschlagventile wirken, die einen Fluss von Hydrauliköl zulassen, wenn der Druck auf ihrer mit dem zugehörigen Eingang (5.1/5.2) des Differentialzylinders (5) verbundenen Seite kleiner als der Druck auf ihrer mit dem zugehörigen Ausgang des Differentialtransformators (2.1/2.2) verbundenen Seite ist, und die andernfalls den Fluss von Hydrauliköl sperren, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass die Steuerung während des Verfahrens des Linearantriebs das Wegsitzventil (11, 12), das sich auf der Ablaufseite befindet, öffnet, und die Steuerung das andere Wegsitzventil, dass sich auf der Zulaufseite befindet, in der nicht geschalteten Position hält, wobei – zwischen dem ersten Wegsitzventil (11) und dem ersten Eingang (5.1) des Differentialzylinders (5) ein erster Zylinder-Drucksensor (15.1), zwischen dem ersten Wegsitzventil (11) und dem ersten Ausgang des Differentialtransformators ein erster Pumpen-Drucksensor (16.1), zwischen dem zweiten Wegsitzventil (12) und dem zweiten Eingang (5.2) des Differentialzylinders (5) ein zweiter Zylinder-Drucksensor (15.2) sowie zwischen dem zweiten Wegsitzventil (12) und dem zweiten Ausgang des Differentialtransformators ein zweiter Pumpen-Drucksensor (16.2) geschaltet ist, wobei die Steuerung des Linearantriebs derart eingerichtet ist, dass sie vor jedem Wiederanfahren des Linearantriebs, vor dem Öffnen der Wegsitzventile (11, 12), auf derjenige Seite, die beim Anfahren des Linearantriebs in der vorgesehenen Verfahrrichtung zur Ablaufseite wird, die Druckwerte des betreffenden Zylinder-Drucksensors (15.1/15.2) und des betreffenden Pumpen-Drucksensors (16.1/16.2) ermittelt, und, falls der vom betreffenden Zylinder-Drucksensor (15.1/15.2) ermittelte Druckwert mindestens 10 bar höher als der Druckwert vom betreffenden Pumpen-Drucksensor (16.1/16.2) ist, die Steuerung den Antriebsmotor (1) des hydraulischen Differentialtransformators (2) so lange in der Drehrichtung, die der zum Verfahren des Linearantriebs in der vorgesehenen Verfahrrichtung erforderlichen Drehrichtung entgegengesetzt ist, drehen lässt, bis der Druckdifferenzwert zwischen dem betreffenden Zylinder-Drucksensor (15.1/15.2) und dem betreffenden Pumpen-Drucksensor (16.1/16.2) einen Wert von mindestens 10 bar unterschreitet, anschließend das Wegsitzventil (11/12) auf der Ablaufseite öffnet und die Drehrichtung des Antriebsmotors (1) umkehrt.
Hydraulischer Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Absicherung vor Überlastung jeweils ein Sicherheitsventil (13, 14) an den Eingängen (5.1, 5.2) des Differentialzylinders angeschlossen ist, wobei die Sicherheitsventile (13, 14) mit einer integrierten Einspeisefunktion ausgestattet sind, mittels derer eine Verbindung zur Einspeisepumpe (8) herstellbar ist.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ein mittels zweier integrierter Druckmesser (6.3, 6.4) eigengesteuertes Umschaltventil (6) und ein als Überdruckventil, das beim Überschreiten des festgelegten Maximaldrucks in der Niederdruckseite öffnet, ausgeführtes Ausspeisedruckbegrenzungsventil (7) umfasst.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für den hydraulischen Differentialtransformator (2) als auch für den Differentialzylinder (5) standardisierte Bauteile eingesetzt sind, wobei auftretende Ungenauigkeiten vom Flächenverhältnis des Zylinders gegenüber dem Verhältnis der Verdrängereinheiten mittels des Ausspeisedruckbegrenzungsventils (7), der Sicherheitsventile (13, 14) und der Einspeisepumpe (8) kompensiert werden.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die mit dem Ausgang der Einspeisepumpe verbundene Hydraulikleitung ein Ölfilter (17) eingebracht ist, der Feststoffpartikel, die sich im Hydrauliköl befinden, zurückhält.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er über einen Hydrospeicher (9) verfügt, der die Einspeisepumpe (8), die beim Betrieb des Linearantriebs immer eingeschaltet ist, im Falle von kurzzeitigen Volumenschwankungen unterstützt.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Differentialtransformator (2) unter Verwendung zweier Konstantpumpen (3, 4), die synchron mit dem drehzahlgeregelten Antriebsmotor (1) betrieben werden, aufgebaut ist.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Differentialtransformator (2) als Parallelschaltung aus einer ersten Pumpenstufe (3), einer zweiten Pumpenstufe (4), die bidirektional fördern können; und einem drehzahlgeregelten Antriebsmotor (1), der beide Pumpenstufen (3, 4) synchron antreibt; realisiert ist, wobei die zweite Pumpenstufe (4) mit einer mechanischen Einstelleinrichtung ausgestattet ist, mittels derer die Förderleistung der zweiten Pumpenstufe (4) verändert werden kann, wobei die Einstelleinrichtung so eingerichtet ist, dass die Förderleistungen des Differentialtransformators (2) in den beiden Förderrichtungen auf die jeweiligen Flächen des Differentialzylinders (5) abgestimmt sind.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) ein drehzahlgeregelter Servomotor oder ein hydraulischer Motor mit Sekundärregelung ist.
Hydraulischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor (1) verwendet ist, der auch als Generator betreibbar ist, wodurch eine Energierückgewinnung durch die generatorische Leistung beim Abbremsen oder Senken von Lasten ermöglicht wird.