DE102013218155A1

DE102013218155A1 - Elektrohydraulische Steuereinrichtung und Verfahren zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102013218155A1
Application number: DE102013218155.8A
Authority: DE
Inventors: Albert Koeckemann; Hermann Mehling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Offenbart ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung zum Steuern eines hydraulischen Verbrauchers. Zur Druckmittelversorgung ist eine mengenverstellbare Druckmittelquelle vorgesehen. Gesteuert wird eine Druckmittelverbindung zwischen dem Verbraucher und der Druckmittelquelle über zumindest ein Schaltventil. Zusätzlich zur mengenverstellbaren Druckmittelquelle ist ein Druckmittelspeicher vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung.
In der WO 02/086 327 A1 ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung gezeigt, die als "Digitalhydraulik", das heißt als digitale Servoventil-Schaltung ausgeführt ist. Eine derartige Steuereinrichtung hat eine Vielzahl von parallel angeordneten und digital schaltbaren Sitzventilen, durch welche ein Öffnungsquerschnitt der digitalen Servoventil-Schaltung prinzipbedingt in Stufen eingestellt wird. Bekannt ist es auch, derartige Sitzventile gepulst anzusteuern, so dass im zeitlichen Mittel Zwischenwerte zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung realisierbar sind.
Aus der DE 10 2011 120 767 A1 ist eine weitere elektrohydraulische Steuereinrichtung bekannt. Hierbei ist als Druckmittelquelle eine mengenverstellbare Hydropumpe vorgesehen, über die ein Verbraucher in Form eines Hydrozylinders mit Druckmittel versorgt ist. Eine Beschickung und Entlassung von Druckmittel zum beziehungsweise vom Verbraucher wird über eine Digitalhydraulik gesteuert. Eine Geschwindigkeitsregelung des Verbrauchers erfolgt hierbei über die mengenverstellbare Hydropumpe und eine Positionsregelung des Verbrauchers über die Digitalhydraulik. Bei geringen Verstellgeschwindigkeiten des Verbrauchers beziehungsweise bei einer Regelung einer Halteposition des Verbrauchers wird eine vergleichsweise geringe Druckmittelmenge benötigt, weswegen die Hydropumpe in diesem Fall mit einer geringen Drehzahl betrieben ist. Dies führt nachteilig zu einem erhöhten Verschließ der Hydropumpe, da sie durch die geringe Drehzahl eine geringe Schmierung beziehungsweise eine vergleichsweise schlechte Schmierölversorgung hat.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung zu schaffen, die den genannten Nachteil beseitigen.
Die Aufgabe hinsichtlich de elektrohydraulischen Steuereinrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung zum Steuern eines hydraulischen Verdrängers vorgesehen. Diese hat eine mengeverstellbare Hydropumpe zur Druckmittelversorgung des Verdrängers. Zum Steuern der Druckmittelversorgung des Verdrängers ist im Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe und dem Verdränger eine Ventilanordnung mit zumindest einem digital geregelten Zulaufventil mit einer Schaltventilcharakteristik vorgesehen, wobei es sich bei dem Zulaufventil beispielsweise um ein Schieber- oder Sitzventil handelt. Vorteilhafterweise kann der Verdränger alternativ oder auch zusätzlich zur Hydropumpe mit Druckmittel eines Druckmittelspeichers versorgt werden. Dieser ist beispielsweise im Druckmittelströmungspfad zwischen der Druckmittelquelle und dem Zulaufventil angeschlossen.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass bei vergleichsweise geringen benötigten Druckmittelmengen für den Verdränger diese vom Druckmittelspeicher und bei vergleichsweise großen benötigten Druckmittelmengen diese von der Hydropumpe zur Verfügung gestellt werden können. Somit wird die Hydropumpe nur für vergleichsweise große Druckmittelmengen eingesetzt, womit im Vergleich zum eingangs erläuterten Stand der Technik diese während ihres Einsatzes optimal mit Schmiermittel versorgt wird und somit einen geringern Verschleiß aufweist. Geringe Druckmittelmengen sind beispielsweise bei einer Feinpositionierung des Verdrängers notwendig, wobei hierbei die Druckmittelversorgung über den Druckmittelspeicher vorteilhafterweise eine Positioniergenauigkeit erhöht, da im Vergleich zu einer Druckmittelversorgung mit der Hydropumpe vergleichsweise geringe Druckschwankungen auftreten. Des Weiteren sind bei einer Verwendung des Druckmittelspeichers Geräusche stark minimiert, da die Hydropumpe nicht betrieben werden muss. Da die Hydropumpe bei geringen Druckmittelmengen nicht eingesetzt werden muss, ist die elektrohydraulische Steuereinrichtung auch äußerst energieeffizient. Da zwei Druckmittelquellen, nämlich die Hydropumpe und der Druckmittelspeicher zur Verfügung stehen, ist eine Betriebssicherheit des Steuereinrichtung erhöht, da bei einem Ausfall der Hydropumpe Druckmittel über den Druckmittelspeicher zur Verfügung gestellt ist und umgekehrt.
Bei der Hydropumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Verstellpumpe oder um eine drehzahlvariable Konstantpumpe. Die Kombination einer Konstantpumpe mit dem erfindungsgemäßen Druckmittelspeicher führt eben dazu, dass diese nur bei vergleichsweise großen benötigten Druckmittelmengen und somit nur mit hoher Drehzahl betrieben ist. Die Hydropumpe beziehungsweise die elektrohydraulische Steuereinrichtung wird vorzugsweise im offenen hydraulischen Kreis eingesetzt.
Bei dem hydraulischen Verdränger handelt es sich beispielsweise um einen Hydrozylinder oder einen Hydromotor, die beispielsweise für mobile Arbeitsmaschinen, hydraulische Pressen, hydraulische Stanzwerkzeuge oder hydraulische Hebevorrichtungen eingesetzt werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat der Verdränger mehrere Druckmittelanschlüsse, wobei die Ventilanordnung für einen jeweiligen Druckmittelanschluss ein digital geregeltes Zulaufventil und ein digital geregeltes Ablaufventil vorsieht. Das Zulaufventil dient dann vorzugsweise zum Steuern einer Druckmittelverbindung zwischen der Hydropumpe beziehungsweise dem Druckmittelspeicher und dem Verdränger und das Ablaufventil zum Steuern einer Druckmittelverbindung zuwischen dem Verdränger und einer Druckmittelsenke (Tank). Die Zu- und Ablaufventile haben vorzugsweise eine Schaltventilcharakteristik. Die Zulaufventile sind vorzugsweise fluidisch parallel zueinander angeordnet.
Mit Vorteil sind eines, mehrere oder alle der Zu- und Ablaufventile ballistisch betätigbar. Die ballistische Betätigung erfolgt hierbei vorzugsweise über eine Pulsweitenmodulation. Die Pulse sind bei einer ballistischen Betätigung derart kurz, dass ein damit angesteuerter Ventilkörper des Zu- oder Ablaufventils aus der geschlossenen Stellung einen Öffnungshub durchführt, aber ohne Erreichen seiner vollständigen geschalteten Öffnungsstellung in die geschlossene Stellung zurückfällt. Denkbar wäre auch, dass der Ventilkörper aus der geöffneten Stellung einen Schließhub durchführt, aber ohne Erreichen seiner vollständig geschalteten Schließstellung in die geöffnete Stellung zurückfällt. Durch die ballistische Betätigung kann bei einer Druckmittelversorgung über den Druckmittelspeicher und somit bei geringen Druckmittelmengen eine Steuerung des Verdrängers auf kostengünstige und einfach Weise über die Ventilanordnung erfolgen. Bei großen Druckmittelmengen und somit bei der Druckmittelversorgung über die Hydropumpe kann der Verdränger dann durch die Mengenverstellung der Hydropumpe gesteuert sein, womit die Zu- und Ablaufventile vorzugsweise je nach Bedarf entweder vollständig geöffnet oder geschlossen sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Auf- und Zusteuerung der Druckmittelverbindung zum Druckmittelspeicher ein Speicherventil vorgesehen. Dieses ist vorzugsweise in einer Speicherleitung angeordnet, über die der Druckmittelspeicher an den Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe und dem Zulaufventil angeschlossen ist. Eine Druckmittelverbindung zum Druckmittelspeicher kann somit unterbrochen werden, wenn beispielsweise die Druckmittelversorgung des Verdrängers über die Hydropumpe erfolgt.
Mit Vorteil wir bei einer Druckmittelversorgung des Verdrängers über den Druckmittelspeicher ein Abströmen von Druckmittel zur Hydropumpe dadurch vermieden, dass ein Sperrventil vorgesehen ist. Dieses ist vorzugsweise im Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe und dem Zulaufventil beziehungsweise der Zulaufventile angeordnet, wobei der Druckmittelspeicher dann zwischen dem Sperrventil und dem Zulaufventil beziehungsweise der Zulaufventile angeschlossen ist. Das Sperrventil kann hierbei derart ausgestaltet sein, dass es in einer Druckmittelströmungsrichtung weg von der Hydropumpe geöffnet und in entgegengesetzter Richtung geschlossen ist.
Handelt es sich bei dem Verdränger um einen Hydrozylinder, so hat dieser vorzugsweise einen Kolben, der zwei Zylinderkammern voneinander trennt, wobei die Zylinderkammern dann jeweils mit einem der Druckmittelanschlüsse verbunden sind. Bei einer Positionsregelung des Kolbens, beispielsweise zur Feinpositionierung des Kolbens nahe einer Zielposition oder zum Halten des Kolbens in einer Startposition, kann dann Druckmittel des Druckmittelspeichers eingesetzt sein. Eine derartige Positionsregelung kann auch als "statische Positionsregelung" bezeichnet sein. Des Weiteren kann auch bei einer Druckregelung, bei der ein bestimmter Druck in einer oder beiden Zylinderkammern geregelt ist, Druckmittel des Druckmittelspeichers eingesetzt sein. Somit erfolgt eine Steuerung des Hydrozylinders bei kleinen Druckmittelmengen, die – wie vorher erläutert – beim Druckhalten, beim statischen Positionieren und/oder bei kleinen Verstellgeschwindigkeiten des Kolbens vorgesehen sind, durch eine Speicherladeschaltung, also durch Druckmittel vom Druckmittelspeicher. Bei höheren Verstellgeschwindigkeiten des Kolbens, beispielsweise in einem Eilgang, wird der Hydrozylinder dann über die Hydropumpe mit Druckmittel versorgt. Bei dieser Positionsregelung kann auch von einer "dynamischen Positionsregelung" gesprochen werden. Somit wird bis zu einem ersten bestimmten Wert einer Positionsänderung des Kolbens der Druckmittelspeicher und ab diesem Wert die Hydropumpe eingesetzt.
Zur Steuerung der Zu- und Ablaufventile kann eine Steuerung vorgesehen sein. Diese ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese bei einer Druckmittelversorgung des Verdrängers beziehungsweise Hydrozylinders über den Druckmittelspeicher die Zu- und Ablaufventile ballistisch ansteuert und bei einer Druckmittelversorgung des Verdrängers beziehungsweise Hydrozylinders über die Hydropumpe diese vollständig öffnet und/oder schließt. Somit werden bei großen Druckmittelmengen, also bei einem Einsatz der Hydropumpe, die hierfür vorgesehenen Zu- und Ablaufventile in vollständig geöffneten Zustand durchströmt, wodurch Drosselverluste minimiert sind. Erst bei kleineren Druckmittelmengen, bei denen Drosselverluste eine geringere Relevanz haben, werden die Zu- und Ablaufventile ballistisch eingesetzt.
Mit Vorteil wird die Hydropumpe von einem Elektromotor, beispielsweise von einem asynchronen oder synchronen Elektromotor, angetrieben.
Zum Laden des Druckmittelspeichers wird dieser vorzugsweise über die Hydropumpe mit Druckmittel beschickt. Damit die Hydropumpe hierbei ausreichend mit Schmieröl versorgt ist, wird diese bei der Beschickung des Druckmittelspeichers mit Druckmittel in einem vergleichsweise hohen Drehzahlbereich angetrieben. Eine Drehzahl beträgt hierbei beispielsweise mehr als 200 Umdrehungen/Minute.
Zum Steuern des Hydrozylinders über die Ventilanordnung ist mit Vorteil ein Ventilregelkreis vorgesehen. Dieser kann den Hydrozylinder beispielsweise in Abhängigkeit von einer Position des Kolbens (Positionsregelung und/oder Geschwindigkeitsregelung) steuern. Die Position des Kolbens kann hierbei über ein Wegmesssystem erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Ventilregelkreis den Hydrozylinder in Abhängigkeit von einem Druck (Druckregelung) in einer oder beiden Zylinderkammern steuern. Zum Erfassen des Drucks ist vorzugsweise ein Drucksensor vorgesehen.
Da zum Steuern des Hydrozylinders – wie vorstehend bereits erläutert – in Abhängigkeit von dem Druck in einer oder beiden Zylinderkammern üblicherweise nur eine geringe Druckmittelmenge benötigt wird, kann hierfür vorteilhafterweise der Druckmittelspeicher zur Druckmittelversorgung eingesetzt sein. Soll der Hydrozylinder in Abhängigkeit von der Position des Kolbens gesteuert werden, so wird für geringe Positionsänderungen des Kolbens (beispielsweise zum Halten einer Startposition, Schleichgang) ebenfalls Druckmittel vom Druckmittelspeicher eingesetzt. Für große Positionsänderungen des Kolbens (dynamische Positionsregelung, Eilgang) wird dann vorzugsweise Druckmittel von der Druckmittelquelle eingesetzt.
Wird der Druckmittelspeicher von der Hydropumpe mit Druckmittel versorgt, so sind vorzugsweise die Zulaufventile der Ventilanordnung geschlossen.
Die ballistisch betätigbaren Zu- und Ablaufventile können zum schnelleren Schalten mit einem sogenannten "Booster"-Ventilverstärker ausgeführt sein. Derartige Ventile sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt, so dass weitere Erläuterungen an dieser Stelle entbehrlich sind.
Erfindungsgemäß hat ein Verfahren zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung folgende Schritte:

– Verstellen des Kolbens des Hydrozylinders im Eilgang (dynamische Positionsregelung), wobei benötigtes Druckmittel über die Hydropumpe bereit gestellt ist. Der Druckmittelspeicher ist hierbei vorzugsweise weggeschaltet. Der Ventilregelkreis führt hierbei dann vorzugsweise eine Positionsregelung oder Geschwindigkeitsregelung durch.
– Bewegen des Kolbens des Hydrozylinders im Schleichgang (statische Positionsregelung), wobei benötigtes Druckmittel über den Druckmittelspeicher bereit gestellt ist. Hier bei ist der Elektromotor vorzugsweise ausgeschaltet. Sollte das Druckmittel des Druckmittelspeichers aufgebraucht sein, so kann dieser von der Hydropumpe mit Druckmittel beschickt werden, indem dieser mit einer hohen Drehzahl kurzzeitig angetrieben ist.

Nach der statischen Positionsregelung (Schleichgang) kann in einem nächsten Verfahrensschritt eine Druckregelung des Hydrozylinders erfolgen. Hierbei wird benötigtes Druckmittel wieder über den Druckmittelspeicher bereit gestellt.
Nach der Druckregelung kann wieder eine dynamische Positionsregelung (Eilgang) ausgeführt sein, um den Kolben wieder zurückzufahren. Um hierbei ein ruckartiges Beschleunigen des Kolbens zu vermeiden, wird vorzugsweise der Druckmittelspeicher fluidisch abgetrennt. Über die Hydropumpe wird dann die gewünschte Verstellgeschwindigkeit des Kolbens eingestellt. Wird ein Speicherdruck in der mit Druckmittel beschickten Zylinderkammer des Hydrozylinders erreicht, so kann der Druckmittelspeicher wieder ruckfrei zugeschaltet werden.
Bei der ersten dynamischen Positionsregelung (Eilgang) beziehungsweise vor dem ersten Verfahrensschritt kann eine statische Positionsregelung (Startposition) vorgesehen sein. In diesem Verfahrensschritt erfolgt ein Halten des Kolbens des Hydrozylinders in seiner Startposition, wobei benötigtes Druckmittel über den Druckmittelspeicher bereit gestellt ist. Der Elektromotor kann hierbei ausgeschaltet sein. Hierbei sind dann eine Geräuschemission und ein Energieverbrauch äußerst gering.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einem hydraulischen Schaltplan eine erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung aus 1 und
3 in einem hydraulischen Schaltplan die elektrohydraulische Steuereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Gemäß 1 ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung 1 für einen hydraulischen Verdränger in Form eines Hydrozylinders 2 dargestellt. Eine grundlegende Ausgestaltung der Steuereinrichtung 1 ist beispielsweise aus der Eingangs angeführten Druckschrift DE 2011 120 676 A1 ersichtlich, weswegen im Folgenden nur die für die Erfindung wesentlichen Teile aufgezeigt sind und im Übrigen auf die genannte Druckschrift verwiesen wird.
Als Druckmittelquelle für die Steuereinrichtung 1 ist eine Hydropumpe in Form einer Konstantpumpe 4 vorgesehen. Diese wird von einem drehzahlvariablen Elektromotor 6 angetrieben. Der Elektromotor 6 ist hierbei über einen Drehzahlregler 8 drehzahlgeregelt, der von einer Steuerung 10 gesteuert ist.
Die Konstantpumpe 4 hat einen Tankanschluss T, an dem eine Tankleitung angeschlossen ist, die wiederum mit einem Tank 12 verbunden ist. An einen Druckanschluss P der Konstantpumpe 4 ist eine Druckleitung 14 angeschlossen. In dieser ist ein in Druckmittelströmungsrichtung weg von der Konstantpumpe 4 öffnendes Rückschlagventil 16 angeordnet. An die Druckleitung 14 sind zwei fluidisch parallel zueinander angeordnete Zulaufventile 18 und 20 mit ihrem Eingangsanschluss E angeschlossen. Die Zulaufventile 18 und 20 sind jeweils als ballistisch betätigbares Schaltventil (2/2-Wegeventil) ausgebildet. Ein Ventilkörper eines jeweiligen Zulaufventils 18 und 20 ist mit einer Federkraft einer Ventilfeder 22 in Richtung einer Schließstellung a beaufschlagt, in der eine Druckmittelverbindung zwischen dem Eingangsanschluss E und einem Ausgangsanschluss A eines jeweiligen Zulaufventils 18 und 20 zu gesteuert ist. Über einen, insbesondere elektrischen Aktuator 24 ist ein jeweiliger Ventilkörper eines jeweiligen Zulaufventils 18 und 20 mit einer Öffnungskraft in Richtung einer Öffnungsstellung b beaufschlagbar, in der der Eingangsanschluss E mit dem Ausgangsanschluss A verbunden ist. Das Zulaufventil 18 ist mit seinem Ausgangsanschluss A über eine Arbeitsleitung 26 mit einem ersten Druckmittelanschluss A1 des Hydrozylinders 2 verbunden. An einen zweiten Druckmittelanschluss A2 des Hydrozylinders 2 ist das andere Zulaufventil 20 über seinen Ausgangsanschluss A und eine Arbeitsleitung 28 angeschlossen.
Der Hydrozylinder 2 hat einen Kolben 30 der eine erste Zylinderkammer 32 von einer zweiten Zylinderkammer 34 trennt. Die erste Zylinderkammer 32 ist hierbei von einer sich ausgehend vom Kolben 30 erstreckenden Kolbenstange 36 durchsetzt, womit es sich um eine Ringkammer handelt. Der erste Druckmittelanschluss A1 des Hydrozylinders 2 ist mit der ersten Zylinderkammer 32 und der zweite Druckmittelanschluss A2 mit der zweiten Zylinderkammer 34 verbunden. In einer jeweiligen Arbeitsleitung 26 und 28 ist eine Drossel 38 beziehungsweise 40 vorgesehen. Vom Druckmittelströmungspfad zwischen der Drossel 38 und dem ersten Druckmittelanschluss A2 zweigt eine erste Verbindungsleitung 42 und vom Druckmittelströmungspfad zwischen der Drossel 40 und dem zweiten Druckmittelanschluss A2 zweigt eine zweite Verbindungsleitung 44 ab. Die Verbindungsleitungen 42, 44 sind jeweils mit Eingangsanschluss E eines Ablaufventils 46 beziehungsweise 48 verbunden. Die Ablaufventile 46 und 48 sind entsprechend dem Zulaufventil 18 beziehungsweise 20 ausgestaltet. Sie haben somit jeweils einen Ausgangsanschluss A, der mit einer Tankleitung 50 beziehungsweise 52 verbunden ist. Die Tankleitungen 50 und 52 münden in den Tank 12. In einer jeweiligen Tankleitung 50, 52 ist eine Drossel 54 beziehungsweise 56 vorgesehen.
Die Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46, 48 bilden eine Ventilanordnung zum Steuern des Hydrozylinders 2. Zur Druckmittelversorgung sind hierbei entweder die Konstantpumpe 4 oder ein erfindungsgemäßer Druckmittelspeicher 58 vorgesehen. Dieser ist über eine Speicherleitung 60 mit der Druckleitung 14 im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Rückschlagventil 16 und dem Zulaufventil 18 beziehungsweise 20 verbunden. In der Speicherleitung 60 ist ein Speicherventil 62 angeordnet. Bei diesem handelt es sich um ein 2/2-Wegeventil. In einer ersten Schaltstellung a ist hierbei eine Druckmittelverbindung zwischen dem Hydrospeicher 58 und der Druckleitung 14 gesperrt und in einer Schaltstellung b geöffnet.
Die Zulauf- und Ablaufventile 18, 20, 46, 48 werden über die Steuerung 10 gesteuert. Diese kann die Drücke in den Zylinderkammern 32 und 34 und einen Pumpendruck der Konstantpumpe 4 über in der 1 nicht gezeigte Druckaufnehmer erfassen. Zusätzlich kann sie den Speicherdruck in dem Druckmittelspeicher 58 über einen Druckaufnehmer 64 erfassen, der den Druck zwischen dem Speicherventil 62 und dem Druckmittelspeicher 58 abgreift. Eine Geschwindigkeit und/oder Position des Kolbens 30 des Hydrozylinders 2 greift die Steuerung 10 über einen Wegaufnehmer 66 ab.
Durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung 1 sind unterschiedliche Komponenten äußerst vorteilhaft miteinander kombiniert. So hat die Ventilanordnung mit dem als Schaltventilen ausgebildeten Zu- und Ablaufventilen 18, 20, 46 und 48 eine hohe Sicherheit, Genauigkeit, Energieeffizienz und Robustheit. Der drehzahlvariable Betrieb der Konstantpumpe 4 führt zu einer hohen Variabilität und ist ebenfalls äußerst energieeffizient. Der Druckmittelspeicher 58 wird vorzugsweise alternativ zur Konstantpumpe 4 für kleine Druckmittelmengen, insbesondere zum Halten einer Position des Kolbens 30 oder für eine langsame Verschiebung des Kolbens 30, energieeffizient eingesetzt.
2 zeigt in einem Diagram ein vorteilhaftes Verfahrens zum Betreiben der Steuereinrichtung 1 aus 1 auf. Auf einer Ordinate des Diagrams ist eine Position s des Kolbens 30 angeführt. Auf einer Abszisse ist die Zeit t aufgetragen. Die in der 2 unterste Zeile 68 zeigt hierbei den Zustand des Druckmittelspeichers 58 als 1 über die Zeit t auf. Die darüber liegende Zeile 70 stellt den Zustand der Konstantpumpe 4 aus 1 dar. Und die wiederum über der Zeile 70 liegende Zeile 72 zeigt den Zustand der Regelung der Ventilanordnung mit den Zu- und Ablaufventilen 18, 20, 46 und 48 auf. Die Kurve 74 in der 2 stellt die Position des Kolbens 30 des Hydrozylinders 2 aus 1 über die Zeit t dar.
Zwischen der Zeit t₀ und t₁ ist der Kolben 30 in seiner Startposition. Hierbei erfolgt eine statische Positionsregelung. Um den Kolben 30 in seiner Position zu halten, wird eine geringe Druckmittelmenge benötigt, die von dem Druckmittelspeicher 58 aus 1 zur Verfügung gestellt wird, indem das Speicherventil 62 geöffnet ist. Der Hydrozylinder 2 und die Ventilanordnung weisen hierbei üblicherweise im Wesentlichen keine Leckage auf. Der Elektromotor 6 kann hierbei ausgeschaltet sein, wodurch er keine Geräuschemissionen aufweist und keine Energie verbraucht. Zwischen der Zeit t₀ und t₁ ist somit der Druckmittelspeicher 58, siehe Zeile 68 der 2, aktiv, was mit dem Bezugszeichen 76 gekennzeichnet ist. Die Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 werden von der Steuerung 10 zur Positionsregelung in Abhängigkeit der vom Wegaufnehmer 66 aus 1 erfassten Position des Kolbens 30, insbesondere ballistisch betätigt. Die Positionsregelung wird hierbei gemäß 2 in der Zeile 72 durch das Bezugszeichen 78 gekennzeichnet. Die Konstantpumpe 4 kann bei Bedarf für eine Impuls-/Druckregelung eingesetzt sein. Was in Zeile 70 durch das Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist.
Gemäß 2 erfolgt zwischen der Zeit t₁ und t₂ eine dynamische Positionsregelung, bei der der Kolben 30 im Eilgang bewegt wird. Hierfür sind vergleichsweise große Druckmittelmengen erforderlich, deswegen zur Druckmittelversorgung die Konstantpumpe 4 eingesetzt wird. Der Druckmittelspeicher 58 wird entsprechend über das Schaltventil 62 weggeschaltet und ist somit inaktiv, was in Zeile 68 der 2 durch das Bezugszeichen 82 gekennzeichnet ist. Eine Positionsregelung erfolgt somit über die Konstantpumpe 4, wobei die Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 vollständig geöffnet beziehungsweise geschlossen sind. Die Positionsregelung ist durch das Bezugszeichen 78 in Zeile 70 der 2 gekennzeichnet. Soll der Kolben 30 beispielsweise gemäß 1 in Richtung einer Verkleinerung der ersten Zylinderkammer 32 verschoben werden, so ist das Zulaufventil 20 für die zweite Zylinderkammer 34 vollständig geöffnet und das Ablaufventil 46 für die erste Zylinderkammer 32 ebenfalls vollständig geöffnet. Die vollständige Öffnung der benötigten Ventile ist gemäß 2 in Zeile 72 durch das Bezugszeichen 84 gekennzeichnet.
Nach dem Eilgang soll zwischen der Zeit t₂ und t₃ der Kolben 30 im Schleichgang verfahren werden, womit eine statische Positionsregelung erfolgt. Die hierbei auftretende langsame Geschwindigkeit des Kolbens 30 bedarf nur vergleichsweise kleiner Druckmittelmengen, die vom Druckmittelspeicher 58 zur Verfügung gestellt werden. Vor dem Einsatz des Druckmittelspeichers 58 wird dieser bei Bedarf mit Druckmittel von der Konstantpumpe 4 beschickt. Weist der Druckmittelspeicher 58 genügend Druckmittel auf, so kann der Elektromotor 6 abgeschaltet werden. Die Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 sind dann zur Positionsregelung eingesetzt und werden ballistisch betätigt. Die Positionsregelung der Ventile 18, 20, 46 und 48 wird durch das Bezugszeichen 78 in Zeile 72 der 2 gekennzeichnet. Die Konstantpumpe 4 führt bei Bedarf wieder eine Impuls-/Druckregelung durch, was durch das Bezugszeichen 80 in Zeile 70 der 2 gekennzeichnet ist. Die Zuschaltung des Druckmittelspeichers 58 ist durch das Bezugszeichen 76 in der Zeile 68 der 2 gekennzeichnet. Unterschreitet ein Speicherdruck des Druckmittelspeichers 58 einen bestimmten Wert, so kann über die Konstantpumpe 4 dieser wieder mit Druckmittel beschickt werden. Die Konstantpumpe wird hierbei in einem hohen Drehzahlbereich, vorzugsweise über 200 U/min, eingesetzt, damit sie ausreichend mit Schmiermittel versorgt ist.
Zwischen der Zeit t₃ und t₄ in 2 soll eine Druckregelung über die Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 erfolgen. Diese ist in 2 in Zeile 72 durch das Bezugszeichen 86 gekennzeichnet. Zur Druckregelung verwendet die Steuerung 10 die von denen in 1 angeführten Druckaufnehmern erfassten Werte. Bei der Druckregelung werden nur geringe Druckmittelmengen benötigt, weswegen der Druckmittelspeicher 58 aktiv ist, was in Zeile 68 der 2 durch das Bezugszeichen 76 gekennzeichnet ist. Die Konstantpumpe 4 kann wieder zur Impuls-/Druckregelung eingesetzt werden. Dies ist in Zeile 70 durch das Bezugszeichen 80 aufgezeigt. Zum Laden des Druckmittelspeichers 58 kann kurzzeitig die Konstantpumpe 4 zugeschaltet sein. Sobald sich die elektrohydraulische Steuereinrichtung, insbesondere der Hydrozylinder 2, auf eine Umgebungsstemperatur abgekühlt hat, sind üblicherweise kaum mehr Regelbewegungen erforderlich, wodurch die Druckmittelversorgung über den Druckmittelspeicher 58 in diesem Fall äußerst energieeffizient ist.
Zwischen der Zeit t₄ und t₅ soll der Kolben 30 wieder im Eilgang zurückverfahren werden, was eine dynamische Positionsregelung erfordert. Um hierbei ein ruckartiges Beschleunigen zu vermeiden, wird beim Zurückfahren des Kolben 30 der Druckmittelspeicher 58 weggeschaltet, wodurch die Druckmittelversorgung ausschließlich über die Konstantpumpe 4 erfolgt. Entspricht ein Pumpendruck in der Druckleitung 14 dem Speicherdruck des Druckmittelspeichers 58, so kann dieser wieder „ruckfrei“ eingebunden werden. In dem Eilgang sind die benötigten Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 wieder vollständig geöffnet, was gemäß 2 in Zeile 72 durch das Bezugszeichen 84 gekennzeichnet ist. Mit der Konstantpumpe 4 wird die Positionsregelung des Kolbens 30 durchgeführt, was in Zeile 70 der 2 durch das Bezugszeichen 78 gekennzeichnet ist. Der Druckmittelspeicher 58 ist hierbei inaktiv, siehe Bezugszeichen 82 in Zeile 68.
Hat der Kolben 30 dann seine Startposition wieder erreicht, so erfolgt zwischen der Zeit t₅ und t₆ wieder eine statische Positionsregelung. Diese wird wieder durch eine ballistische Betätigung der Zu- und Ablaufventile 18, 20, 46 und 48 vorgenommen, was durch das Bezugszeichen 78 in Zeile 72 der 2 gekennzeichnet ist. Die Konstantpumpe 4 wird gemäß Zeile 70 bei Bedarf zur Impuls-/Druckregelung, siehe Bezugszeichen 80 in Zeile 70 eingesetzt. Der Druckmittelspeicher 58 ist gemäß Zeile 68, Bezugszeichen 76 aktiv.
Gemäß 3 ist ein Mehrachsbetrieb der elektrohydraulischen Steuereinrichtung 1 gezeigt. Hierbei sind zumindest drei Hydrozylinder 2, 88 und 90 vorgesehen. Einem jeweiligen Hydrozylinder 2, 88 und 90 ist hierbei eine Konstantpumpe 4, ein Druckmittelspeicher 58 und eine Ventilanordnung 92 mit dem Zu- und Ablaufventilen zugeordnet. Die Konstantpumpen 4 weisen eine gemeinsame Druckleitung 14 auf, wobei eine jeweilige Konstantpumpe 4 einen jeweiligen Hydrozylinder 2, 88 und 92 mit Druckmittel versorgen kann. Ein jeweiliger Druckmittelspeicher 58 ist entsprechend der 1 über das Speicherventil 62 an die Druckleitung 14 angeschlossen. Des Weiteren sind die Steuereinrichtung 10 und die jeweiligen Drehzahlregler 8 in 3 gezeigt.
Offenbart ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung zum Steuern eines hydraulischen Verbrauchers. Zur Druckmittelversorgung ist eine mengenverstellbare Druckmittelquelle vorgesehen. Gesteuert wird eine Druckmittelverbindung zwischen dem Verbraucher und der Druckmittelquelle über zumindest ein Schaltventil. Zusätzlich zur mengenverstellbaren Druckmittelquelle ist ein Druckmittelspeicher vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Steuereinrichtung
2: Hydrozylinder
4: Konstantpumpe
6: Elektromotor
8: Drehzahlregler
10: Steuerung
12: Tank
14: Druckleitung
16: Rückschlaventil
18: Zulaufventil
20: Zulaufventil
22: Ventilfeder
24: Aktor
26: Arbeitsleitung
28: Arbeitsleitung
30: Kolben
32: erste Zylinderkammer
34: zweite Zylinderkammer
36: Kolbenstange
38: Drossel
40: Drossel
42: erste Verbindungsleitung
44: zweite Verbindungsleitung
46: Ablaufventil
48: Ablaufventil
50: Tankleitung
52: Tankleitung
54: Drossel
56: Drossel
58: Druckmittelspeicher
60: Speicherleitung
62: Speicherventil
64: Druckaufnehmer
66: Wegaufnehmer
68: Zeile
70: Zeile
72: Zeile
74: Kurve
76: aktiv
78: Positionsregelung
80: Impuls-/Druckregelung
82: inaktiv
84: vollständig geöffnet
86: Druckregelung
88: Hydrozylinder
90: Hydrozylinder
92: Ventilanordnung
T: Tankanschluss
P: Druckanschluss
E: Eingangsanschluss
A: Ausgangsanschluss
a: Schließstellung
b: Öffnungsstellung
A1: erster Druckmittelanschluss
A2: zweiter Druckmittelanschluss
s: Position
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/086327 A1 [0002]
DE 102011120767 A1 [0003]
DE 2011120676 A1 [0031]

Claims

Elektrohydraulische Steuereinrichtung zum Steuern eines hydraulischen Verdrängers (2) mit einer mengenverstellbaren Hydropumpe (4) zur Druckmittelversorgung des Verdrängers (2), wobei im Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe (4) und dem Verdränger (2) eine Ventilanordnung (18, 20, 46, 48) mit zumindest einem digital geregelten Zulaufventil (18, 20) mit einer Schaltventilcharakteristik vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe (4) und dem Zulaufventil (18, 20) ein Druckmittelspeicher (58) angeschlossen ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hydropumpe (4) in Form einer Verstellpumpe oder einer drehzahlvariablen Konstantpumpe (4) ausgeführt ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdränger (2) mehrere Druckmittelanschlüsse (A1, A2) aufweist, und die Ventilanordnung (18, 20, 46, 48) für einen jeweiligen Druckmittelanschluss (A1, A2) ein digital geregeltes Zulaufventil (18, 20) zum Steuern einer Druckmittelverbindung zwischen dem Verdränger (2) und der Hydropumpe (4) oder zwischen dem Verdränger (2) und dem Druckmittelspeicher (58) und ein digital geregeltes Ablaufventil (46, 48) zum Steuern einer Druckmittelverbindung zwischen dem Verdränger (2) und einer Druckmittelsenke (12) aufweist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Zu- und Ablaufventile (18, 20, 46, 48) ballistisch betätigbare Schaltventile sind.
Steuereinrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Steuerung der Zu- und Ablaufventile (18, 20, 46, 48) derart ausgestaltet ist, das diese bei einer Druckmittelversorgung des Verdrängers (2) über den Druckmittelspeicher (58) ballistisch angesteuert sind, und das diese bei einer Druckmittelversorgung des Verdrängers (2) über die Hydropumpe (4) jeweils vollständig geöffnet und / oder geschlossen sind.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Speicherventil (62) in einer Speicherleitung (60) angeordnet ist, über die der Druckmittelspeicher (58) an den Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe (4) und dem Zulaufventil (18, 20) angeschlossen ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein sich in Druckmittelströmungsrichtung weg von der Hydropumpe (4) sich öffnendes Sperrventil (16) in dem Druckmittelströmungspfad zwischen der Hydropumpe (4) und dem Zulaufventil (18, 20) angeordnet ist, wobei der Druckmittelspeicher (58) zwischen dem Sperrventil (16) und dem Zulaufventil (18, 20) angeschlossen ist.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Verdränger (2) ein Hydrozylinder (2) mit einem Kolben (30) ist, wobei der Kolben (30) zwei Zylinderkammern (32, 34) voneinander trennt, die jeweils mit einem der Druckmittelanschlüsse (A1, A2) verbunden sind.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei der Druckmittelspeicher (58) über die Hydropumpe (4) mit Druckmittel beschickbar ist, und wobei die Hydropumpe (4) zum Beschicken des Druckmittelspeichers (58) in einem Drehzahlbereich angetrieben ist, in dem eine ausreichende Schmierung der Hydropumpe (4) gegeben ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Ventilregelkreis (10) zum Steuern des Hydrozylinders (2) über die Ventilanordnung (18, 20, 46, 48) vorgesehen ist, wobei der Ventilregelkreis (10) den Hydrozylinder (2) in Abhängigkeit einer Position des Kolbens (30) und/oder in Abhängigkeit eines Drucks in einer oder beiden Zylinderkammern (32, 34) steuert.
Steuereinrichtung nach Anspruch 10, wobei zum Steuern des Hydrozylinders (2) in Abhängigkeit des Drucks in einer oder beiden Zylinderkammern (32, 34) Druckmittel vom Druckmittelspeicher (58) eingesetzt ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei zum Steuern des Hydrozylinders (2) in Abhängigkeit der Position des Kolbens (30) für geringe Positionsänderungen des Kolbens (30) Druckmittel vom Druckmittelspeicher (58) und für große Positionsänderungen des Kolbens (30) Druckmittel von der Hydropumpe (4) eingesetzt ist.
Verfahren zum steuern der elektrohydraulischen Steuereinrichtung 1 gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: – Verfahren des Kolbens (30) des Hydrozylinders (2) im Eilgang, wobei benötigtes Druckmittel über die Hydropumpe (4) bereit gestellt ist, – Verfahren des Kolbens (30) des Hydrozylinders (2) im Schleichgang, wobei benötigtes Druckmittel über den Druckmittelspeicher (58) bereit gestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, mit dem sich an den Schleichgang anschließenden Schritt: – Druckregelung des Hydrozylinders 2 über die Ventilanordnung (18, 20, 46, 48), wobei benötigtes Druckmittel über den Druckmittelspeicher (58) bereit gestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei vor dem Verfahren des Kolbens (30) des Hydrozylinders (2) im Eilgang ein Halten des Kolben (30) des Hydrozylinders (2) in einer Startposition vorgesehen ist, wobei benötigtes Druckmittel über den Druckmittelspeicher (58) bereit gestellt ist.