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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der Druckschrift
US 6,789,387 B2 ist ein derartiger Antrieb für einen doppelt wirkenden Zylinder gezeigt, bei dem der Druck in den beiden Arbeitsräumen des Zylinders bzw. in den zugeordneten Arbeitsleitungen überwacht wird. Daraus wird von einer elektronischen Steuereinheit die Betriebs- bzw. Belastungssituation des Zylinders erkannt. Die Steuereinheit schaltet dementsprechend ein Wegeventil, über das eine der beiden Arbeitsleitungen mit einem Hochdruckanschluss einer Pumpe verbunden wird, während die andere Arbeitsleitung zu einem Tank entlastet wird.
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Nachteilig an derartigen hydraulischen Antrieben mit weitgehend elektronifizierter Ermittlung der Belastungssituation und mit elektronischer Schaltung des Wegeventils ist die Fehleranfälligkeit der zusätzlichen Elektronik in einem ansonsten hydraulischen Antrieb und die Abhängigkeit von zusätzlicher externer Aktivierungsenergie.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hydraulischen Antrieb zu schaffen, bei dem diese Nachteile eliminiert sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb dient zur Versorgung eines doppelt wirkenden hydraulischen Verbrauchers, insbesondere eines Hydrozylinders oder eines Hydromotors, über zwei Arbeitsleitungen, denen jeweils eine Bewegungsrichtung des Verbrauchers zugeordnet ist, wobei entsprechend der Richtung der eingeleiteten Kraft in der einen Arbeitsleitung Hochdruck und in der anderen Arbeitsleitung Niederdruck herrscht. Die Arbeitsleitungen sind an ein Wegeventil angeschlossen, dessen Ventilkörper eine erste Steuerfläche und eine zweiten Steuerfläche hat, die in einander entgegen gesetzten Richtungen wirken. Die erste Steuerfläche ist mit dem Druck der ersten Arbeitsleitung beaufschlagbar während die zweite Steuerfläche mit dem Druck der zweiten Arbeitsleitung beaufschlagbar ist. Dadurch ist stets die lasthöhere Arbeitsleitung über das Wegeventil mit einem Hochdruckanschluss einer Hydromaschine – insbesondere einer Hydropumpe – verbunden, während die lastniedriger Arbeitsleitung über das Wegeventil mit einem Niederdruckanschluss der Hydromaschine verbunden ist. Damit sind eine hydraulische Ermittlung der Belastungssituation und eine direkte hydraulische Steuerung des Wegeventils möglich, bei der keine elektronischen Vorrichtungen nötig sind und die unabhängig von elektrischer Energie funktioniert.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erste Steuerfläche stets mit dem Druck der ersten Arbeitsleitung beaufschlagt, während die zweite Steuerfläche stets mit dem Druck der zweiten Arbeitsleitung beaufschlagt ist. Damit sind außer der Schaltung des Wegeventils keine weiteren Schaltungsvorgänge nötig.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist ein Fördervolumen der Hydromaschine in Abhängigkeit eines Bedienelements bzw. einer Bedieneinheit verstellbar. Damit kann ein Bedienwunsch bzgl. der Bewegung des Verbrauchers aufgenommen und das Fördervolumen z. B. über einen Schwenkwinkel oder über eine digital gesteuerte Öffnungszeit von einzelnen Arbeitsräumen der Hydromaschine gesteuert werden.
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Wenn sich aus dem Bedienwunsch ein Absenken einer Last über des als Zylinder ausgebildeten Verbrauchers oder ein Bremsen einer Drehbewegung des als Motor ausgebildeten Verbrauchers ergibt, kann die Hydromaschine als Motor wirken und die entsprechende Energie regenerieren.
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Wenn die Bedieneinheit und ein dem Ventilkörper zugeordneter Positionsgeber an eine elektronische Steuereinheit angeschlossen sind, kann diese aus der Stellung des Ventilkolbens ermitteln, welche Seite bzw. welche Arbeitsleitung des Verbrauchers mit der Hydromaschine verbunden ist. Damit können je nach – über die Bedieneinheit vorgegebener – Bewegungsrichtung die Förderrichtung (also Pumpen- oder Motorfunktion) der Volumenstrom durch die Hydromaschine zur Verfügung gestellt werden.
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Bei einem möglichen Anwendungsfall ist der Verbraucher ein Differenzialzylinder, dessen Kolben zwei gegeneinander wirkende ungleiche Druckflächen hat. Dann wird es bevorzugt, wenn die beiden Steuerflächen des Ventilkolbens das gleiche Flächenverhältnis aufweisen, wie die beiden Druckflächen des Kolbens. Damit kann der Ventilkolben die Kräfte, die am Differenzialzylinder angreifen, vergleichen.
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Wenn der Niederdruckanschluss der Hydromaschine und damit auch die über das Wegeventil angeschlossene lastniedrigere Arbeitsleitung mit einem Tank verbindbar sind, ist ein halbgeschlossener Kreislauf geschaffen.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn zwischen dem Niederdruckanschluss und dem Tank ein vom Tank zum Niederdruckanschluss öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist. Dieses dient zum Nachsaugen von Druckmittel, insbesondere wenn der Verbraucher ein Differenzialzylinder ist, in dessen Kolbenbodenraum Druckmittel gefördert wird. Dabei reicht das aus dem Ringraum verdrängte Druckmittel nicht aus, um das in den Kolbenbodenraum geförderte Druckmittel bereitzustellen.
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Weiterhin wird es bevorzugt, wenn zwischen dem Niederdruckanschluss und dem Tank ein vom Niederdruckanschluss zum Tank öffnendes federvorgespanntes Rückschlagventil angeordnet ist. Dieses dient zum Ableiten von überschüssigem Druckmittel, insbesondere wenn der Verbraucher ein Differenzialzylinder ist, in dessen Ringraum Druckmittel gefördert wird. Dabei kann das aus dem Kolbenbodenraum verdrängte Druckmittel nicht vollständig vom Ringraum aufgenommen werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Hydromaschine digital verstellbar. Dabei hat jede Zylinder-Kolbeneinheit der Hydromaschine ein aktiv steuerbares Niederdruckventil und ein aktiv steuerbares Hochdruckventil. Wenn die Hydromaschine nicht als Motor zur Energierückgewinnung eingesetzt werden soll, können die Hochdruckventile auch passive Rückschlagventile sein.
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Als Hydromaschine wird – insbesondere bei der Weiterbildung als digital verstellbare Maschine – eine Radialkolbenmaschine bevorzugt. Diese wird auch als digital variable radial piston machine (DVR) bezeichnet.
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Wenn das Wegeventil ein 4/3 Wegeventil mit einer mittleren Sperrstellung ist, ist leckagearmes Halten des Verbrauchers – insbesondere Zylinders – möglich.
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Im Falle einer Druckgleichheit der beiden Arbeitsleitungen kann ein Zustand des Wegeventils und damit des erfindungsgemäßen Antriebs entstehen, bei dem die Schaltstellung des Ventilkörpers metastabil bzw. undefiniert ist. Um dies zu vermeiden, werden die beiden folgenden Weiterbildungen bevorzugt:
Dem Ventilkörper können zusätzlich zu den beiden Steuerflächen zwei elektromagnetische Aktuatoren zugeordnet sein, deren Wirkrichtungen einander entgegengesetzt sind, und die von Steuereinheit aktivierbar sind.
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Die beiden Steuerflächen können über jeweilige Steuerleitungen mit den zugeordneten Arbeitsleitungen verbindbar sein, wobei in jeder Steuerleitung ein Wechselventil angeordnet ist. Über die Wechselventile sind die Steuerflächen über ein gemeinsames Vorsteuerventil mit dem Hochdruckanschluss der Hydromaschine verbindbar, das dazu von der Steuereinheit geschaltet wird.
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Beide Weiterbildungen dienen dazu einen metastabilen bzw. undefinierten Zustand des Ventilkörpers zu vermeiden und „im Zweifelsfall” den Ventilkörper über die Steuereinheit in eine definierte Schaltstellung zu bewegen.
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Bei beiden Weiterbildungen wird es bevorzugt, wenn die Krafteinleitung deutlich unter derjenigen der mit den Arbeitsleitungen verbundenen Steuerflächen liegt, so dass letztere bereits dann überwiegt, wenn ein geringe Last am Verbraucher wirkt.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebs in einem ersten Betriebszustand,
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2 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebs in einem zweiten Betriebszustand,
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3 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebs in einem dritten Betriebszustand,
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4 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebs in einem vierten Betriebszustand,
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5 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebs und
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6 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebs.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebs für einen Differenzialzylinder 1. Dieser hat einen Ringraum 2 und einen Bodenraum 4. Der Bodenraum 4 ist über eine erste Arbeitsleitung 6 und der Ringraum 2 über eine zweite Arbeitsleitung 8 mit einem 4/3-Wegeventil 10 verbunden. Über das Wegeventil 10 können die beiden Arbeitsleitungen 6, 8 über eine Hochdruckleitung 12 mit einem Hochdruckanschluss 14 einer digital verstellbaren Hydromaschine 16 oder mit einer Niederdruckleitung 18 verbunden werden. Die Niederdruckleitung 18 verzweigt zu einem Tank T und zu einem Niederdruckanschluss 20 der Hydromaschine 16. Die Hydromaschine 16 ist eine solche mit einer Reihe von Kolben-Zylinder-Einheiten in Radial- oder Axialkolbenbauweise, wobei jeder Kolben-Zylinder-Einheit ein aktiv, zum Beispiel elektromagnetisch ansteuerbares Hochdruckventil und ein aktiv steuerbares Niederdruckventil zugeordnet sind. Über das Hochdruckventil ist der Arbeitsraum einer Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Druckanschluss und über das Niederdruckventil mit einem Niederdruck- oder Sauganschluss der Hydromaschine verbindbar. Damit kann jede Zylinder-Kolben-Einheit unabhängig von den anderen Einheiten in einem Pumpenmodus, in einem Motormodus oder in einem Leerlauf-Modus, oft auch Idle-Modus genannt, betrieben werden. Im Pumpenmodus ist bei einer Kolbenbewegung im Sinne einer Verkleinerung des Arbeitsraums das Niederdruckventil geschlossen und das Hochdruckventil offen und bei einer Kolbenbewegung im Sinne einer Vergrößerung des Arbeitsraums das Niederdruckventil offen und das Hochdruckventil geschlossen. Im Motormodus ist bei einer Kolbenbewegung im Sinne einer Verkleinerung des Arbeitsraums das Niederdruckventil offen und das Hochdruckventil geschlossen und bei einer Kolbenbewegung im Sinne einer Vergrößerung des Arbeitsraums das Niederdruckventil geschlossen und das Hochdruckventil offen. Im Idle-Modus wird die entsprechende Einheit durch dauerhaftes Öffnen ihres Niederdruckventils und durch dauerhaftes Schließen ihres Hochdruckventils deaktiviert. Auf diese Weise können das Hubvolumen (Pumpenbetrieb) und das Schluckvolumen (Motorbetrieb) der Hydromaschine 16 in Stufen, also digital verändert werden.
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Wenn die Hydromaschine 16 als Pumpe wirkt, wird sie über einen Motor 26 angetrieben. Die Hydromaschine 16 hat eine Mehrzahl von (nicht näher gezeigten) Zylinder-Kolben-Einheiten, wobei jeder Einheit ein aktiv steuerbares Hochdruckventil und ein aktiv steuerbares Niederdruckventil zugeordnet ist.
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In der Verbindung der Niederdruckleitung 18 mit dem Tank T sind parallel zueinander ein vom Tank T zur Niederdruckleitung 18 öffnendes Rückschlagventil 22 und ein von der Niederdruckleitung 18 zum Tank T öffnendes federvorgespanntes Rückschlagventil 24 angeordnet.
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Der Antrieb hat weiterhin eine elektronische Steuereinheit 28. Diese steuert über eine Signalleitung 30 die verschiedenen Hochdruck- und Niederdruckventile der Hydromaschine 16.
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Die Steuereinheit 28 ist mit einer Bedieneinheit 32 verbunden, über die ein Bediener die gewünschte Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines Kolbens des Differenzialzylinders 1 vorgeben kann.
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An der ersten Arbeitsleitung 6 ist eine erste Steuerleitung 34 angeschlossen, über die ein Ventilkörper des Wegeventils 10 (in den 1 bis 4) nach rechts über einen Steuerdruck und eine erste Steuerfläche 35 in Richtung einer Schaltstellung beaufschlagt ist, bei der die Hochdruckleitung 12 mit der ersten Arbeitsleitung 6 und die Niederdruckleitung 18 mit der zweiten Arbeitsleitung 8 verbunden sind. An die zweite Arbeitsleitung 8 ist eine zweite Steuerleitung 36 angeschlossen, über die der Ventilkörper des Wegeventils 10 (in den 1 bis 4) nach links über einen Steuerdruck und eine zweite Steuerfläche 37 in Richtung einer Schaltstellung beaufschlagt ist, bei der die Hochdruckleitung 12 mit der zweiten Arbeitsleitung 8 und die Niederdruckleitung 18 mit der ersten Arbeitsleitung 6 verbunden sind. Mit dieser Beaufschlagung durch Steuerdruck wird stets der lasthöhere Arbeitsraum 2, 4 des Differenzialzylinders 1 mit der Hochdruckleitung 12 und damit mit dem Hochdruckanschluss 14 der Hydromaschine 16 verbunden. Weiterhin wird stets der lastniedrigere Arbeitsraum 2, 4 über die Niederdruckleitung 18 insbesondere mit dem Niederdruckanschluss 20 der Hydromaschine 16 und weiterhin mit dem Tank T verbunden. Dem Wegeventil 10 ist ein Positionsgeber 38 zugeordnet, über den der Steuereinheit 28 die Stellung des Ventilkörpers und damit die Belastungssituation des Differenzialzylinders 1 gemeldet werden. Zusammen mit dem über die Bedieneinheit 32 gemeldeten Bedienerwunsch kann die Steuereinheit 28 folgende vier Betriebszustände des erfindungsgemäßen Antriebs erkennen und steuern:
- – Heben gegen eine Lastkraft gemäß 1;
- – Heben mit Unterstützung einer Lastkraft gemäß 2;
- – Absenken mit Unerstützung einer Lastkraft gemäß 3; und
- – Absenken gegen eine Lastkraft gemäß 4.
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In 1 wirkt eine Lastkraft F gemäß dem Pfeil F nach unten, so dass im Bodenraum 4 Hochdruck und im Ringraum 2 Niederdruck herrscht. Dadurch wird erfindungsgemäß das Wegeventil 10 derart geschaltet, dass der Bodenraum 4 mit dem Hochdruckanschluss 14 der Hydromaschine 16 verbunden ist. Mit einem Hebel der Bedieneinheit 32 in einer gemäß 1 rechten Position ist der Bedienwunsch „Heben” symbolisiert. Dementsprechend werden die verschiedenen Hochdruck- und Niederdruckventile der digitalen Hydromaschine 16 derart geöffnet und geschlossen, dass die Hydromaschine 16 als Pumpe wirkt und den Kolben des Differenzialzylinders 1 gemäß dem Pfeil X gegen die Lastkraft F anhebt.
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2 zeigt als Bedienwunsch unverändert „Heben”, wobei am Kolben eine ziehende, gemäß 2 nach oben gerichtete Lastkraft F wirkt. Dadurch herrscht im Ringraum 2 Hochdruck. Dementsprechend wird der Ventilkörper des Wegeventils 10 in die in 2 dargestellte rechte Schaltstellung gestellt, wodurch der Ringraum 2 mit der Hydromaschine 16 verbunden ist. Das Druckmittel des Ringraums 2 wird zur Hydromaschine 16 verdrängt bzw. gefördert, die als Motor arbeitet. Die entsprechende Energie kann zeitgleich für andere Zwecke genutzt oder gespeichert werden.
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3 zeigt als Bedienwunsch „Absenken”. Dabei entspricht die Lastkraft F derjenigen aus 1 und wirkt derart, dass im Bodenraum 4 Hochdruck herrscht. Dementsprechend verbindet das Wegeventil 10 den Bodenraum 4 mit der Hydromaschine 16, die in dem in 3 gezeigten Betriebszustand als Motor wirkt.
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4 zeigt als Bedienwunsch wiederum „Absenken”, wobei eine Lastkraft F dem Bedienwunsch entgegen gerichtet ist. Dementsprechend baut sich im Ringraum 2 Hochdruck auf, und der Ringraum 2 ist mit der als Pumpe wirkenden Hydromaschine 16 verbunden.
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Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebs gemäß den 1 bis 4 hat insbesondere zum Ausgleich von Druckmittelmangel bzw. Druckmittelüberschuss im halbgeschlossenen Kreislauf eine Verbindung der Niederdruckleitung 18 bzw. des Niederdruckanschlusses 20 mit dem Tank T. Dabei dient das Rückschlagventil 22 als Nachsaugventil in den beiden Betriebszuständen gemäß 1 und 2, während das federvorgespannte Rückschlagventil 24 zum Abführen von überschüssigem Druckmittel in den Betriebszuständen gemäß 3 und 4 dient.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebs. Dabei ist der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 darin zu sehen, dass zur Vermeidung eines undefinierten bzw. metastabilen Zustandes eines Ventilkörpers eines 4/3-Wegeventils 110 zusätzlich zu den beiden Steuerleitungen 34, 36 zwei elektromagnetische Aktuatoren 140a, 140b vorgesehen sind. Diese sind von einer elektronischen Steuereinheit 128 ansteuerbar, so dass bei Druckgleichheit in den beiden Arbeitsräumen 2, 4 des Differenzialzylinders 1 der Ventilkörper in eine definierte Schaltstellung geschaltet werden kann. Dabei sind die Kräfte der beiden Aktuatoren 140a, 140b vergleichsweise gering, so dass bereits bei beginnendem ungleichmäßigem Druckaufbau in den beiden Arbeitsräumen 2, 4 die erfindungsgemäße Verbindung des lasthöheren Arbeitsraums 2, 4 zum Hochdruckanschluss 14 der Hydromaschine 16 über die Steuerleitungen 34, 36 hergestellt wird.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebs. Dabei ist der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 darin zu sehen, dass zur Vermeidung eines undefinierten bzw. metastabilen Zustandes eines Ventilkörpers eines 4/3-Wegeventils 210 in den beiden Steuerleitungen 34, 36 jeweils ein Wechselventil 240a, 240b vorgesehen ist. Diese Wechselventile 240a, 240b sind an ein Vorsteuerventil 242, angeschlossen, über das unabhängig von der Belastungssituation des Differenzialzylinders 1 eines der beiden Wechselventile 240a, 240b mit Steuerdruck beaufschagbar ist. Dabei öffnet das entsprechende Wechselventil 240a, 240b eine Verbindung vom Vorsteuerventil 242 zur zugeordneten Steuerfläche 35, 37 am Ventilkörper des Wegeventils 210.
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Das Vorsteuerventil 242, das als 3/3-Wegeventil ausgebildet ist, wird von einer Steuereinheit 228 gesteuert. Somit kann bei Druckgleichheit – insbesondere bei niedrigen Drücken – in den beiden Arbeitsräumen 2, 4 des Differenzialzylinders 1 der Ventilkörper des Wegeventils 210 in eine definierte Schaltstellung geschaltet werden. Dabei sind die über das Vorsteuerventil 242 geschalteten Steuerdrücke vergleichsweise gering, so dass bereits bei beginnendem ungleichmäßigem Druckaufbau in den beiden Arbeitsräumen 2, 4 die Wechselventile 240a, 240b die Verbindung des lasthöheren Arbeitsraums 2, 4 zum Hochdruckanschluss 14 der Hydromaschine 16 über die Steuerleitungen 34, 36 wieder öffnen.
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Offenbart ist ein hydraulischer Antrieb zur Versorgung eines doppelt wirkenden Verbrauchers, insbesondere eines Hydrozylinders oder eines Hydromotors, über zwei Arbeitsleitungen, denen jeweils eine Bewegungsrichtung des Verbrauchers zugeordnet ist, wobei entsprechend der Richtung der eingeleiteten Kraft in der einen Arbeitsleitung Hochdruck und in der anderen Arbeitsleitung Niederdruck herrscht. Die Arbeitsleitungen sind an ein Wegeventil angeschlossen, dessen Ventilkörper eine erste Steuerfläche und eine zweiten Steuerfläche hat, die in einander entgegen gesetzten Richtungen wirken. Die erste Steuerfläche ist mit dem Druck der ersten Arbeitsleitung beaufschlagbar während die zweite Steuerfläche mit dem Druck der zweiten Arbeitsleitung beaufschlagbar ist. Dadurch ist stets die lasthöhere Arbeitsleitung über das Wegeventil mit einem Hochdruckanschluss einer Hydromaschine – insbesondere Hydropumpe – verbunden, während die lastniedriger Arbeitsleitung über das Wegeventil mit einem Niederdruckanschluss der Hydromaschine verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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