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Die Erfindung betrifft eine Steuerung für ein hydraulisch betätigbares Ventil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Hydraulische Ventile für große Durchflüsse werden oft hydraulisch angesteuert. Solche Ventile kommen beispielsweise in der Mobilhydraulik zum Einsatz. Die Steuerbewegungen des Benutzers/Fahrers einer mobilen Arbeitsmaschine werden hydraulisch, elektrisch oder mechanisch weitergeleitet. Häufig werden mechanisch-hydraulische Signalwandler (hydraulische Joysticks) eingesetzt, die als zuverlässig gelten und ohne elektrische Fachkenntnisse entstört oder ersetzt werden können.
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Moderne Maschinenkonzepte verlangen hingegen häufig nach einer elektrischen Ansteuerung, in der eine elektronische Steuerung Fahrerbefehle verarbeitet und dann elektrohydraulische Vorsteuerventile ansteuert, deren Ausgangsdrücke auf hydraulische Hauptsteuerventile wirken. Es ist ebenfalls möglich, dass die Steuerung auf Vorgaben von außen oder Sensorsignale reagiert und Sicherheits-, Komfort- oder Fernbedienfunktionen ausführt.
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Es gibt für manche Anwendungen seitens der Nutzer oder auch der Maschinenhersteller Vorbehalte gegenüber elektrischen Steuerungen. Diese begründen sich aus Sorge, dass harsche Umgebungsbedingungen zu Störungen führen und das allgemein die Wartung je nach Einsatzland teilweise nur schwer von lokalem Personal zu realisieren ist. Gleichwohl lassen sich einige Komfortmerkmale nicht oder nicht wirtschaftlich ohne den Einsatz elektrischer Steuerungen erreichen. Für diese Anwendungen wäre es vorteilhaft, eine einfache und sichere Rückfallebene bereitzustellen. Andere Anwender sind sehr überzeugt vom Fahrgefühl mit hydraulischen Joysticks und möchten diese Ansteuerdynamik behalten.
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Zum Stand der Technik ist die
DE 10 2006 057 699 A1 zu nennen, die eine Ventilanordnung offenbart, bei der ein gemeinsames hydraulisches Zusatzsignal über Wechselventile auf beide Steuerflächen von mehreren Steuerventilen wirken kann. Diese Anordnung kann gegen einen Bedienerwunsch wirken und die Ventilauslenkung reduzieren. Grundsätzlicher Nachteil der Schaltung mit Wechselventilen ist der undefinierte Abflussweg für das Öl aus der Vorsteuerung, wobei der Abflussweg entweder zum Synchrondruck oder dem Ansteuerdruck hin erfolgen kann, so dass sich Unterschiede im Fahrverhalten ergeben können.
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Aus der
WO 2009/015 502 A1 ist eine Ventilanordnung bekannt, bei der ein elektrisches Zusatzventil je Hauptschieber derart angeordnet ist, dass es beide Ansteuerleitungen des Ventils in Form einer Druckteilerschaltung miteinander verbinden kann. Je nach Ansteuerung des elektrischen Zusatzventils und der anliegenden Steuerdrücke der Ansteuerventile ergibt sich ein unterschiedlich hoher Durchfluss und infolge dessen eine Beeinflussung der zu- und ablaufseitigen Drücke an den Steuerflächen des Hauptschiebers, die sich dann von den Steuerdrücken der eigentlichen Ansteuerventile unterscheiden. Die notwendigen Widerstände einer Druckteilerschaltung bewirken allerdings eine relevante Verringerung der Ansteuerdynamik. Zum anderen wird der Bedienerwunsch lediglich reduziert. Eine aktive Ansteuerung des Hauptschiebers ist bei dieser Lösung nicht möglich.
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Aus der
US 8 689 471 B2 ist eine Ventilanordnung bekannt, bei der ein elektrisches Zusatzventil je Hauptschieber derart angeordnet ist, dass es den höheren der beiden Ansteuerdrücke geregelt reduziert auf die Seite mit dem geringeren Ansteuerdruck leiten kann. Es ergibt sich eine Beeinflussung der zu- und ablaufseitigen Drücke an den Steuerflächen des Hauptschiebers, die sich dann von den Steuerdrücken aus den eigentlichen Ansteuerventilen unterscheiden. Auch bei diesem Vorschlag wird die Funktion eingeschränkt und der Bedienerwunsch reduziert, allerdings keine aktive Ansteuerung des Hauptschiebers vorgenommen.
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Aus der
DE 10 2012 202 950 A1 ist eine Schaltung bekannt, bei der die hydraulischen Ansteuerdrücke eines Joysticks zum einen über Sensoren eingelesen werden und zum anderen über ein Wechselventil zum Öffnen der hydraulischen Versorgung elektrisch angesteuerter Druckregelventile verwendet werden, welche über eine elektrische Steuerung aus den Sensorsignalen verarbeitete Ansteuersignale erhalten. Auf diese Weise soll eine Bewegung eine Arbeitsmaschine ohne gleichzeitig auch hydraulisch angezeigten Fahrerwunsch ausgeschlossen werden. Es handelt sich um eine Sicherheitsschaltung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für ein hydraulisch betätigbares Ventil aufzuzeigen, die es z.B. bei Ausfall einer sekundären Steuerung immer noch ermöglicht, die normalen Funktionen des Ventils anzusteuern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung sieht vor, dass ein primärer hydraulischer Steuerdruck mit einem sekundären Steuerdruck über ein Wechselventil zu einer Steuerfläche des hydraulisch betätigbaren Ventils zusammengeführt wird, wobei das Wechselventil vorgespannt ist. Durch die Vorspannung des Wechselventils ist eine Vorzugsstellung des Wechselventils vorgegeben, das sicherstellt, dass ein Ventilschieber des hydraulisch betätigbaren Ventils auch bei drucklosen sekundären Steueranschlüssen allein durch den primären hydraulischen Steuerdruck betätigt werden kann. Das Wechselventil ist dabei derart vorgespannt, dass der Strömungspfad zum primären hydraulischen Steuerdruck in der Vorzugsstellung immer offen ist. Die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht auf Grund der Vorzugsstellung des Wechselventils eine aktive Steuerung des Ventils mit definierten Abflusswegen.
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Das dargestellte Wechselventil ist symbolhaft mit einem kugelförmigen Schaltkörper als Sitzventil dargestellt. Der Begriff Wechselventil bzw. vorgespanntes Wechselventil erfasst alle funktional gleichwirkenden Ventilbauformen in Sitz- oder Schieberbauweise, wie z.B. ein 3/2-Wegeventil mit zylindrischem Schaltkörper, der durch die Vorspannfeder in einer definierten Durchfluss-Ruhestellung gehalten ist. Das vorgespannte Wechselventil der erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung ermöglicht eine Reihe von Betriebsmodi und Funktionen, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert werden.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Steuerung. Das Kernelement ist das hydraulisch betätigbare Ventil 1, das stark vereinfacht dargestellt ist und in diesem beispielhaften Fall drei Schaltstellungen (erste Durchflussstellung, Sperr-Mittelstellung 0, zweite Durchflussstellung) einnehmen kann. Federn 5, 6 halten den Ventilschieber 2 in einer neutralen Sperr-Mittelstellung. Auf Steuerflächen des Ventilschiebers 2 wirken einerseits der Druck XA und andererseits der Druck XB. Die Drücke XA, XB werden über Sensoren 3, 4 erfasst.
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Der auf die jeweilige Steuerfläche wirkende Druck XA, XB wird jeweils von einem Wechselventil 7, 8 abgegriffen. Die Wechselventile 7, 8 sind jeweils ist über eine Vorspannfeder 15, 16 vorgespannt, so dass die Leitungen 9, 10 zu den Steuerflächen des Ventils 1 im Grundzustand fluidleitend mit Leitungen 11, 12 verbunden sind, die zu einer Quelle für einen primären hydraulischen Steuerdruck führt. Der mit unterbrochener Linie eingegrenzte Bereich im unteren Teil der 1 kennzeichnet den Bereich des primären hydraulischen Drucks, d.h. die primäre hydraulische Steuerung I.
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Im oberen eingegrenzten Bereich der 1 sind Mittel zum Aufbringen eines sekundären hydraulischen Steuerdrucks dargestellt, der ebenfalls über die vorgespannten Wechselventile 7, 8 den Steuerflächen zugeführt werden kann. Das ist die sekundäre hydraulische Steuerung II. Der sekundäre Steuerdruck ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch elektrisch ansteuerbare Pilotventile 17, 18 über den Input A/B steuerbar. Der sekundäre hydraulische Druck kann alternativ auch durch mechanisch-hydraulische Signalwandler, wie z. B. Joysticks gesteuert werden.
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Aufgrund der Vorspannung der Wechselventile 7, 8 hat bei Druckgleichheit zwischen primärem und sekundärem Steuerdruck der primäre Steuerdruck Vorrang, weil die Federkraft der Vorspannfedern 15, 16 in dieselbe Richtung wirkt wie der primäre Steuerdruck. Dadurch kann der Ventilschieber 2 des anzusteuernden Ventils 1 bei drucklosen sekundären Steueranschlüssen oder bei einem zu geringen sekundären Steuerdruck allein durch die primären Steuerdrücke bewegt werden. In diesem Fall fließt das Hydraulikmedium, insbesondere Steueröl vom primären Steueranschluss über das in Vorzugstellung offene Wechselventil 7, 8 zu den Steuerflächen des Ventilschiebers 2. Der Abfluss von Steueröl auf der nicht angesteuerten Schieberseite erfolgt in gleicher Art und Weise durch das andere in Vorzustellung offene Wechselventil 7, 8 zum drucklosen primären Steueranschluss.
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Für eine sichere Funktion ist es sinnvoll, wenn die Federvorspannung des vorgespannten Wechselventils 7, 8 niedriger ist als der Öffnungsdruck der Hauptsteuerkanten des Ventilschiebers 2. Der Öffnungsdruck kann gleichzeitig auch einen eventuell geringeren Druck für etwaige Lastmeldeleitungen berücksichtigen. Der Abfluss von Steueröl auf der nicht angesteuerten Seite des Ventilschiebers 2 erfolgt immer in der gleichen Art und Weise durch das in Vorzugsstellung offene vorgespannte Wechselventil 7, 8 zum drucklosen primären Steueranschluss.
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Der Ventilschieber 2 kann bei nicht genutzter oder deaktivierter primärer Ansteuerung und daher drucklosen primären Steueranschlüssen allein durch jeweils einen sekundären Steuerdruck bewegt werden, z.B. durch eine Fernbedienung oder über einen alternativen Bedienplatz. Durch die Kombination von primärem und sekundärem Steuerdruck mit den vorgespannten Wechselventilen 7, 8 lassen sich weitere Betriebsmodi erreichen, wie nachfolgend anhand der weiteren Figuren gezeigt wird.
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2 zeigt den normalen Betriebsmodus. Es ist kein sekundärer Steuerdruck auf die vorgespannten Wechselventile 7, 8 geschaltet, weil die sekundären Pilotventile 17, 18 gegenüber der Hochdruckleitung P geschlossen sind (Input A/B = 0). Der primäre Druck ist der Joystick-Druck XBj. Über die Leitungen 11 und 9 wirkt auf die Steuerfläche des Ventilschiebers der Druck XB, der ähnlich zum Joystick-Druck XBj ist. Die effektive Druckdifferenz Δp am Ventilschieber 2 beträgt damit Δp = XBj. Der Pfeil oberhalb des Ventils 1 verdeutlich die Bewegungsrichtung des Ventilschiebers 2 bei dieser Druckdifferenz.
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3 zeigt in Anlehnung an 2, wie mit einem sekundären Steuerdruck auf der gerade nicht aktiven Seite des primären Steuerdruckes ein Druck XA aufgebracht werden kann, welcher der Wirkung des aktiven primären Steuerdrucks XB entgegenwirkt. Die Druckdifferenz Δp am Ventilschieber 2 ergibt sich näherungsweise zu Δp = XBj – XA. Dadurch kann der Bedienerwunsch am Joystick XBj einfach und preiswert reduziert werden.
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Eine hinsichtlich des Aufbaus der Schaltung noch einfachere Variante zu Reduzierung des Bedienerwunsches ist in den 4 und 5 gezeigt. Es gibt in beiden Figuren nur ein einziges sekundäres Pilotventil 19, wobei der einzige sekundären Steuerdruck an beide vorgespannte Wechselventile 7, 8 angeschlossen ist. 4 entspricht dem Schaltzustand der 2, das heißt es liegt kein sekundärer Steuerdruck, sondern nur der primäre Steuerdruck XBj an. Wenn allerdings das Pilotventil 19 angesteuert wird und ein Durchflussweg zum Hochdruckanschluss P2 geöffnet wird, schaltet bei anliegendem primären Steuerdruck XBj nur das vorgespannte Wechselventil 8 in eine Offenstellung zur Leitung 20, so dass sich am Ventil 1 näherungsweise die Druckdifferenz Δp = XBj – XA analog zum Schaltzustand der 3 einstellt. Der sekundäre Druck XA am Ventilschieber 2 ist dabei niedriger als der primäre Steuerdruck XBj.
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Diese Schaltungen der 3 bis 5 können in Systemen mit mehreren gleichzeitig ansteuerbaren Verbrauchern bevorzugt für Prioritätseinstellungen genutzt werden oder zur Regelung und Begrenzung der Leistungsaufnahme der Verbraucher.
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Im Unterschied zu den Ansteuerungen in den 3 bis 5, bei denen der sekundäre Steuerdruck niedriger als der primäre Steuerdruck ist, zeigen die 6 bis 8 Möglichkeiten der Ansteuerung, bei welcher die beiden sekundären Steuerdrücke auf den maximalen Wert der primären Steuerdrücke oder einen ähnlich hohen oder sogar höheren Wert eingestellt werden. Die primären Steuerdrücke werden dadurch übersteuert. Die primären Steuerdrücke haben keine Wirkung auf den Ventilschieber 2, d.h. es wird keine Öffnung der Steuerkanten am Ventil 1 hervorgerufen. Der Ventilschieber 2 kann nun bewegt werden, indem einer der sekundären Steuerdrücke so weit reduziert wird, so dass sich der Ventilschieber 2 angetrieben vom höheren Druck auf der genüberliegenden Seite des Ventils 1 bewegt. Dadurch kann eine geringere Öffnung oder auch größere Öffnung an der Steuerkante des Ventilschiebers 2 eingestellt werden, die auch von einem eventuell gleichzeitig vorhandenen, aber nicht durchgeschalteten primären Steuerdruck geöffnet worden wäre. 6 zeigt diese rein elektro-hydraulische Ansteuerung über die sekundären Steuerdrücke, z.B. für eine elektro-hydraulische Fernsteuerung. Beide sekundären Pilotventile 17, 18 werden angesteuert, so dass die Wechselventile 7, 8 zum sekundären Steuerdruckbereich hin öffnen. Die Verbindung zum primären Druckbereich ist abgeschnitten. Die Druckdifferenz Δp ist null.
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7 zeigt die Situation, wenn ein Bediener einen primären Joystick (B) betätigt und damit der primäre Druck XBj am vorgespannten Wechselventil 7 anliegt. Der Sensor 13 in der geschlossenen Leitung 11 zum vorgespannten Wechselventil 7 erfasst den Druck XBj. Dieses elektrische Signal des Sensors 13 kann genutzt werden, um über den Input B am elektro-hydraulischen Pilotventil 18 den sekundären Steuerdruck zu reduzieren, so dass sich am Ventilschieber 2 die Druckdifferenz Δp = XBj entsprechend dem Bedienerwunsch einstellt.
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8 zeigt, dass die Druckdifferenz Δp = XB – XA am Ventilschieber 2 bei einer reinen elektro-hydraulischen Fernsteuerung mittels der sekundären Steuerdrück ausschließlich von externen Steuersignalen am Input A/B abhängig gemacht werden kann. Die primären Steuerungsmittel werden überlagert.
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Um den Ventilschieber 2 auch immer entgegen einem eventuell gleichzeitig vorhandenen primären Steuerdruck bewegen zu können, ist eine Vorspannung auf den doppelten maximalen Wert der primären Steuerdrücke notwendig.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele zusätzlich mit einem nicht näher dargestellten Mittel zur Abschaltung der sekundären Steuerung ausgerüstet. Eine Abschaltung der Druckölversorgung für die sekundären Steuerventile kann durch den Bediener oder eine Steuerung dann erfolgen, wenn ohne weitere Einflüsse auf die Funktion der primären Steuerung zurückgegriffen werden soll. Es bleibt dann eine rein hydraulische Bedienbarkeit durch die primären Steuerdrücke bestehen.
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Die Abschaltung der sekundären Steuerung kann mit gleichzeitiger Entlastung zum Tank T erfolgen. Bei elektrischer Erzeugung der sekundären Steuerdrücke können die elektrischen Ventile durch elektrische Trennung deaktiviert werden. Je nach Schaltung ist das durch Schalten eines gemeinsamen elektrischen Kontaktes (z.B. Masse oder Versorgungsspannungsanschluss) für eine ganze Gruppe von Ventilen realisierbar.
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Mit der erfindungsgemäßen Steuerung wird eine Rückfallebene geschaffen, die auch bei einem Ausfall der sekundären Steuerung einen normalen Betrieb des Ventils 1 und des angeschlossenen hydraulischen Verbrauchers ermöglicht. Die erfindungsgemäße Steuerung ist unter Verwendung von vorgespannten Wechselventilen leicht nachrüstbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Ventilschieber
- 3
- Sensor
- 4
- Sensor
- 5
- Feder
- 6
- Feder
- 7
- Wechselventil
- 8
- Wechselventil
- 9
- Leitung
- 10
- Leitung
- 11
- Leitung
- 12
- Leitung
- 13
- Sensor
- 14
- Sensor
- 15
- Vorspannfeder
- 16
- Vorspannfeder
- 17
- Pilotventil
- 18
- Pilotventil
- 19
- Pilotventil
- 20
- Leitung
- P
- Hochdruckanschluss
- P2
- Hochdruckanschluss
- T
- Niederdruckanschluss
- XA
- Druck am Ventilschieber
- XAj
- primärer Steuerdruck (Joystick)
- XB
- Druck am Ventilschieber
- XBj
- primärer Steuerdruck (Joystick)
- Δp
- Druckdifferenz am Ventilschieber
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057699 A1 [0005]
- WO 2009/015502 A1 [0006]
- US 8689471 B2 [0007]
- DE 102012202950 A1 [0008]
