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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus dem Datenblatt „Axialkolben-Verstellpumpe A4VG Baureihe 40“ der Bosch Rexroth AG (Best.-Nr. RD 92004, Veröffentlichungsdatum 30.03.2020) ist eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise bekannt. Bei der ET-Verstellung werden die Stellräume des doppelwirkenden Stellzylinders mittels eines Druckreduzierventils mit Druck beaufschlagt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Problem, welches entsteht, wenn man anstelle eines Druckreduzierventils ein noch einfacheres 3/2-Proportional-Wegeventil verwendet. Hierbei kann es zu einem Verklemmen des Steuerschiebers des Stellventils kommen, wenn im Betrieb Strömungskräfte auf den Steuerschieber einwirken. Beim bekannten Druckreduzierventil wird ein derartiges Verklemmen durch die Druckrückführung im Rahmen der Druckregelung wirksam verhindert.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Hydromaschine, deren Verdrängungsvolumen durch Druckbeaufschlagung eines Stellraums stetig verstellbar ist, vorgeschlagen, wobei der Stellraum an ein Stellventil mit einem beweglichen Steuerschieber angeschlossen ist, wobei der Steuerschieber einen ersten und einen gesonderten zweiten Stellbereich aufweist, wobei im ersten Stellbereich eine Druckfluidquelle mit dem Stellraum verbunden ist, wobei im zweiten Stellbereich eine Druckfluidsenke mit dem Stellraum verbunden ist, wobei ein Stellmagnet vorgesehen ist, mit welchem der Steuerschieber mit einer von einem Stellstrom abhängigen und in einer einzigen, vorgegebenen Stellkraftrichtung wirksamen Stellkraft beaufschlagbar ist, wobei der Steuerschieber entgegen der Stellkraftrichtung von einer Feder beaufschlagt ist, wobei der Steuerschieber so ausgelegt ist, dass die im ersten Stellbereich auf ihn einwirkenden Strömungskräfte eine entgegen der genannten Stellkraftrichtung gerichtete resultierende Kraft auf den Steuerschieber bewirken kann, wobei der Stellstrom auf einen Grenzstrom entweder nach oben oder nach unten begrenzt ist, wobei der Grenzstrom abhängig vom Druck der Druckfluidquelle gewählt wird.
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Die Hydromaschine ist vorzugsweise als Axialkolbenmaschine ausgebildet, wobei sie höchst vorzugsweise in Schrägscheibenbauweise ausgeführt ist. Bei dem Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Das Verdrängungsvolumen der Hydromaschine ist vorzugsweise zwischen einem minimalen und einem maximalen Verdrängungsvolumen verstellbar, wobei keine Verstellung über das Verdrängungsvolumen Null hinweg vorgesehen ist. Das minimale Verdrängungsvolumen kann Null betragen. Der Druck im Stellraum bewirkt vorzugsweise eine Verkleinerung des Verdrängungsvolumens. Die Hydromaschine ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die im Betrieb wirksamen hydraulischen Kräfte eine Vergrößerung des Verdrängungsvolumens bewirken, wenn im Stellraum kein Druck anliegt. Die Druckfluidsenke wird vorzugsweise von einem Tank gebildet. Die Druckfluidquelle kann wahlweise von einem Hochdruckanschluss der Hydromaschine oder von einer gesonderten Steuerölpumpe gebildet werden. Die Hydromaschine wird vorzugsweise in einem offenen hydraulischen Kreislauf verwendet. Das Stellventil ist vorzugsweise als 3/2-Proportional-Wegeventil ausgeführt.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die genannte resultierende Kraft bei niedrigen Drücken der Druckfluidquelle im Wesentlichen Null ist, wobei sie bei hohen Drücken der Druckfluidquelle von Null verschieden ist und entgegen der Stellkraftrichtung wirkt. Vorzugsweise wirkt die genannte resultierende Kraft in keinem Fall in Stellkraftrichtung. Der Übergang zwischen den genannten niedrigen und hohen Drücken der Druckfluidquelle soll so hoch wie möglich liegen, so dass der Druckbereich, in dem die resultierende Kraft im Wesentlichen Null ist, so groß wie möglich ist. Die vorstehend erläuterte Auslegung wird auch als Überkompensation bezeichnet. Die bei hohen Drücken der Druckfluidquelle notgedrungen in Kauf genommene Strömungskraft ist die Ursache für ein mögliches Verklemmen des Steuerschiebers.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Steuerschieber in einer Bohrung bezüglich einer Längsachse linearbeweglich aufgenommen ist, wobei in die Bohrung ein erster, ein zweiter und ein dritter Kanal quer zur Längsachse einmünden, wobei sie in der angegebenen Reihenfolge entlang der Längsachse nebeneinander angeordnet sind, wobei der Steuerschieber einen Steg hat, welcher dichtend an der Bohrung anliegt, wobei der Steg und der erste, der zweite und der dritte Kanal so aufeinander abgestimmt sind, dass im ersten Stellbereich des Steuerschiebers der zweite Kanal ausschließlich mit dem ersten Kanal verbunden ist, wobei im zweiten Stellbereich des Steuerschiebers der zweite Kanal ausschließlich mit dem dritten Kanal verbunden ist, wobei der erste Kanal an die Druckfluidquelle angeschlossen ist, wobei der zweite Kanal an den Stellraum angeschlossen ist, wobei der dritte Kanal an die Druckfluidsenke angeschlossen ist, wobei der erste Kanal derart geneigt zur Längsachse angeordnet ist, dass das von der Druckfluidquelle zum zweiten Kanal fließende Druckfluid eine resultierende Kraft in Richtung der Längsachse auf den Ventilschieber ausüben kann. Hierdurch kann die gewünschte hydraulische Kompensation der Strömungskräfte zumindest bei niedrigen Drücken der Druckfluidquelle erreicht werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Stellkraftrichtung so gerichtet ist, dass der Stellmagnet eine Verstellung zum zweiten Stellbereich hin bewirkt, wobei der Stellstrom auf den genannten Grenzstrom nach unten begrenzt ist. Gegenüber der entgegengesetzten Stellkraftrichtung hat die vorstehende Ausführung eine höhere Betriebssicherheit des gesamten Hydrauliksystems zur Folge, weil sich das Verdrängungsvolumen bei Stromausfall selbsttätig zum kleinsten Verdrängungsvolumen hin verstellt, wobei der von der Hydromaschine geförderte Volumenstrom sinkt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Grenzstrom einer Stellgröße hinzuaddiert wird, um den Stellstrom zu erhalten. Die genannte Stellgröße ist vorzugsweise die Stellgröße eines Regelkreises, beispielsweise eines Druckregelkreises eines Volumenstromregelkreises oder eines Verstellgeschwindigkeitsregelkreises. Der genannte Regelkreis wird vorzugsweise von der Steuervorrichtung per Software implementiert. Durch die vorgeschlagene additive Überlagerung von Grenzstrom und Stellgröße braucht das Verhalten des Stellventils hinsichtlich der Strömungskräfte bei der Auslegung der genannten Regelkreise nicht berücksichtigt zu werden. Die Stellgröße ist vorzugsweise ein positiver, skalarer Zahlenwert.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Grenzstrom Null beträgt, wenn der Druck der Druckfluidquelle unterhalb eines vorgegebenen Grenzdrucks liegt, wobei der Grenzstrom von Null verschieden ist, wenn der Druck der Druckfluidquelle oberhalb des Grenzdrucks liegt. Damit ist die Kompensation der Strömungskräfte nur dann wirksam, wenn sie auch tatsächlich vorhanden sind. Nach Erreichen des Grenzdrucks steigt der Grenzstrom vorzugsweise steil auf einen maximalen Grenzstrom an, wobei höchst vorzugsweise gerade kein sprungartiger Anstieg stattfindet. Die genannte Steilheit wird möglichst groß gewählt aber dennoch so klein, dass der entsprechende Übergang das Regelverhalten des Gesamtsystems im Wesentlichen nicht nachteilig beeinflusst. Es ist denkbar, dass der Grenzdruck bei sehr hohen Drücken der Druckfluidquelle Null beträgt, wenn er also einen weiteren Grenzdruck übersteigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Grenzdruck zwischen 20 bar und 60 bar beträgt. In diesem Druckbereich ist mit dem Einsetzen von resultierenden Strömungskräften am Steuerschieber zu rechnen. Vorzugsweise beträgt der Grenzdruck 40 bar.
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Es kann ein Drucksensor vorgesehen sein, mit welchem der Druck der Druckfluidquelle messbar ist, wobei der Grenzdruck abhängig vom Messwert des Drucksensors gewählt wird. Der Drucksensor ist vorzugsweise an die Steuervorrichtung angeschlossen, so dass der Messwert durch das entsprechende Programm verarbeitet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Stellventil so ausgelegt ist, dass sich beim Stellstrom Null eine größtmögliche Verstellgeschwindigkeit zum Verdrängungsvolumen Null hin ergibt. Die oben erläuterte Überkompensation dient auch der Erreichung einer hohen Verstellgeschwindigkeit.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Schaltplan eines Hydrauliksystems mit einer Hydromaschine, welche im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, und
- 2 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Druck der Druckfluidsenke und dem Grenzstrom darstellt.
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1 zeigt einen Schaltplan eines Hydrauliksystems mit einer Hydromaschine 10, welche im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird. Die Hydromaschine 10 ist beispielsweise als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgeführt. In der Regel saugt die Hydromaschine 10 an einem Niederdruckanschluss 14 Druckfluid von einer Druckfluidsenke 21, insbesondere von einem Tank 22, an und fördert es zu einem Hochdruckanschluss 13. Abhängig vom Betriebszustand des Hydrauliksystems kann es vorkommen, dass die Hydromaschine 10 motorisch betrieben wird, wobei das Druckfluid vom Hochdruckanschluss 13 zum Niederdruckanschluss 14 fließt. Bei dem Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Vom Hochdruckanschluss 13 fließt das Druckfluid zu einem Verbraucher 24 und von dort weiter zurück zum Tank 22. Der Verbraucher 24, der grob schematisch als Drossel dargestellt ist, kann einen oder mehrere Hydraulikzylinder und/oder einen oder mehrere Hydromotore umfassen, deren Bewegungsgeschwindigkeit jeweils von einem zugeordneten Ventil steuerbar ist.
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Die Schwenkwiege der Hydromaschine 10 ist vorliegend mit einem ersten und einem zweiten Stellzylinder 11; 12, welche jeweils als einfachwirkende Zylinder ausgeführt sind, bewegungsgekoppelt. Der erste Stellzylinder 11 hat dabei eine größere Kolbenfläche als der zweite Stellzylinder 12. Eine Druckbeaufschlagung des Stellraums 15 des ersten Stellzylinders 11 bewirkt eine Verkleinerung des Verdrängungsvolumens. Eine Druckbeaufschlagung des zweiten Stellzylinders 12 bewirkt eine Vergrößerung des Verdrängungsvolumens. Die unterschiedlichen Kolbenflächen haben zur Folge, dass eine Verkleinerung des Verdrängungsvolumens eintritt, wenn beide Stellzylinder 11; 12 mit dem Druck am Hochdruckanschluss 20 beaufschlagt werden, wie dies im ersten Stellbereich des Stellventils 30 der Fall ist. Es versteht sich, dass die Wirkung des zweiten Stellzylinders 12 auch auf andere Weise erreicht werden kann, beispielsweise indem die Schwenkachse der Schwenkwiege abseits der Drehachse der Antriebswelle der Hydromaschine angeordnet wird.
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Vorliegend wird die Druckfluidquelle 20 für die Verstellung des Verdrängungsvolumens vom Hochdruckanschluss 13 der Hydromaschine 10 gebildet, wobei sie auch von einer gesonderten Steuerölpumpe gebildet sein kann. Der dortige Druck wird mittels eines Drucksensors 23 gemessen, wobei der Drucksensor 23 an eine Steuervorrichtung 16 angeschlossen ist. Die Steuervorrichtung 16 umfasst vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner, welcher so eingerichtet ist, dass er das erfindungsgemäße Verfahren selbsttätig durchführt.
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Die Druckfluidquelle 20 ist permanent an den zweiten Stellzylinder 12 angeschlossen. Damit vergrößert sich das Verdrängungsvolumen der Hydromaschine 10, wenn im Stellraum 15 kein Druck anliegt von selbst, wenn die Hydromaschine 10 mittels eines Antriebsmotors 25 in Drehbewegung versetzt wird.
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Der Druck im Stellraum 15 wird von einem Stellventil 30 bereitgestellt. Das Stellventil 30 ist als stetig verstellbares 3/2-Wegeventil ausgeführt, welches mittels eines Stellmagneten verstellt wird. Das Stellventil 30 ist also in der denkbar einfachsten Weise ausgeführt, wobei insbesondere keine hydraulische Druckregelung geschieht, bei welcher der Druck im Stellraum 15 den Steuerschieber 40 in Richtung der Längsachse 41 beaufschlagt.
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Das Stellventil 30 umfasst einen Steuerschieber 40, der in einer kreiszylindrischen Bohrung 34 in Richtung einer Längsachse 41 beweglich aufgenommen ist. Der Steuerschieber 40 hat einen um die Längsachse 41 umlaufenden Steg 42, welcher dichtend an die Bohrung 34 angepasst ist. Im Gehäuse 35 des Steuerventils sind ein erster, ein zweiter und ein dritter Kanal 31; 32; 33 angeordnet, welche in der angegebenen Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind, wobei sie quer zur Längsachse 41 in die Bohrung 34 einmünden. Der mittlere, zweite Kanal 32 ist permanent an den Stellraum 15 angeschlossen. Der in 1 linke, erste Kanal ist an die Druckfluidquelle 20 angeschlossen, wobei der in 1 rechte, dritte Kanal 33 permanent an die Druckfluidsenke 21 angeschlossen ist. Durch Verschieben des Steuerschiebers 40 kann also wahlweise eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten und dem ersten Kanal 32; 31 (erster Stellbereich) oder eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Kanal 32; 33 (zweiter Stellbereich) hergestellt werden. In einer Mittelstellung des Steuerschiebers 40, welche den ersten vom zweiten Stellbereich abgrenzt, können wahlweise alle Kanäle 31; 32; 33 über einen kleinen Drosselquerschnitt miteinander verbunden oder vollständig gegeneinander abgesperrt sein.
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In Richtung der Längsachse 41 wird der Steuerschieber 40 von der Kraft eines Stellmagneten 50 beaufschlagt, wobei hierdurch eine Stellrichtung 51 definiert wird. Entgegen der Stellrichtung 51 wird der Steuerschieber von der Kraft einer Feder 43 beaufschlagt. Die Feder 43 ist an einer Verschlussschraube 36 abgestützt, welche in das Gehäuse 35 eingeschraubt ist.
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Die Kanäle 44 im Steuerschieber 40 und im Gehäuse 35 sind permanent an den dritten Kanal 33 bzw. die Druckfluidsenke 21 angeschlossen. Die beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Steuerschiebers 40 sind dementsprechend vom gleichen, niedrigen Druck an der Druckfluidsenke 21 beaufschlagt, so dass hierdurch in Summe keine Kraft auf den Steuerschieber 40 wirkt. Die beiden Hilfsstege 45 an den gegenüberliegenden Enden des Steuerschiebers 40 dichten diesen niedrigen Druck gegen den ersten bzw. den dritten Kanal 31; 33 ab.
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Der Stellmagnet 50 umfasst ein fluiddicht geschlossenes Polrohr 56 aus einem ferromagnetischen Material wie Stahl. In dessem Inneren ist ein im Wesentlichen kreiszylinderförmiger Anker 53 in Richtung der Längsachse 41 beweglich aufgenommen. Im Inneren des Polrohrs 56 herrscht der Druck der Druckentlastung 44. Der Anker 53 besteht ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material wie Stahl. Um das Polrohr 56 herum ist eine Magnetspule 52 angeordnet, welche mit einer Anschlussbuchse 54 versehen ist, wobei dort die Steuervorrichtung 16 angeschlossen ist.
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1 zeigt eine Stellung des Steuerschiebers 40, in welcher der Stellmagnet 50 nicht mit einem Stellstrom beaufschlagt ist. Die Feder 43 drückt den Steuerschieber damit in seine in 1 rechte Endstellung. Über die gesonderte Druckstange 55 wird auch der Anker 53 in seine rechte Endstellung gedrückt. Die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal 31; 32 ist offen. Wenn die Magnetspule 52 mit einem Stellstrom beaufschlagt wird, wirkt über die Druckstange 55 eine Kraft in Richtung der Stellkraftrichtung 51 auf den Steuerschieber 40 ein. Ist diese Kraft groß genug, so stößt der Steuerschieber 40 an die Verschlussschraube 36 an, wobei die Verbindung vom zweiten zum dritten Kanal 32; 33 offen ist. Es versteht sich, dass das vorliegende Stellventil 30 eine stetige Verstellung ermöglicht, so dass die betreffenden Öffnungsquerschnitte stetig verstellbar sind, wobei sie in etwa proportional zum Stellstrom sind.
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Neben den oben erläuterten Kräften wirken auch Strömungskräfte auf den Steuerschieber 40 ein. Im ersten Stellbereich kann diese Strömungskraft u.a. dadurch beeinflusst werden, dass der erste Kanal 31 nicht genau senkrecht in die Bohrung 34 einmündet, sondern etwas geneigt. Gleiches gilt für den zweiten Stellbereich und den dritten Kanal 33. Die Strömungskraft kann auch entsprechend der Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102020208933.7 beeinflusst werden. Das Stellventil 40 soll dabei möglichst so ausgelegt werden, dass in Summe überhaupt keine Strömungskraft auf den Steuerschieber 40 wirkt, weil dann das Regelverhalten des gesamten Hydrauliksystems am besten ist. Praktisch ist dieses Ziel aber nicht vollständig erreichbar, weshalb man sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu einem Kompromiss entschlossen hat. Bei niedrigen Drücken an der Druckfluidquelle 20 ist eine weitgehend vollständige hydraulische Kompensation der Strömungskräfte gegeben, wobei bei hohen Drücken an der Druckfluidquelle 20 eine sog. Überkompensation gegeben ist. D.h. im ersten Stellbereich wirkt eine Strömungskraft, die entgegen der Stellkraftrichtung 51 gerichtet ist. Um deren Auswirkung zu kompensieren, wird der Stellstrom bei hohen Drücken der Druckfluidquelle 20 nach unten begrenzt, so dass er von Null verschieden ist. Der entsprechende Grenzstrom wird vorzugsweise so gewählt, dass die daraus resultierende Magnetkraft gleich der Strömungskraft ist, die ausgeglichen werden soll. Für den Nutzer des Systems erscheint es dann so, als wäre die durch die Überkompensation verursachte Strömungskraft überhaupt nicht vorhanden. Eine mögliche Folge der genannten Strömungskraft, nämlich ein Verklemmen des Steuerschiebers 50, wird vermieden.
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2 zeigt ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Druck der Druckfluidsenke und dem Grenzstrom darstellt. Der Druck der Druckfluidsenke ist horizontal in bar aufgetragen. Der Grenzstrom ist vertikal in mA aufgetragen. Zwischen 0 und beispielsweise 40 bar beträgt der Grenzstrom Null. Im geringen Druckbereich sind die Volumenströme durch den geringen Druckabfall an der Steuerkante gering. Somit ist auch die Kompensationskraft gering. Das Abschalten des Minimalstroms macht eine Leistungssteigerung gegenüber den mechanischen Systemen möglich.
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Ab 40 bar steigt der Grenzstrom schnell an, wobei er bei beispielsweise 50 bar seinen Maximalwert von beispielsweise 350 mA erreicht. Dieser Maximalwert bleibt im kritischen Druckbereich 60 konstant. Der kritische Druckbereich 60 erstreckt sich beispielsweise bis 80 bar. Der kritische Druckbereich 60 ist der Bereich, in dem besonders hohe Strömungskräfte auftreten, wobei die Gefahr des Verklemmens des Steuerschiebers besonders groß ist. Bei weiter ansteigendem Druck der Druckfluidquelle sinkt der Grenzstrom im Wesentlichen linear ab, wobei er beispielsweise bei 140 bar wieder den Wert Null erreicht. Das Abschalten des Grenzstroms ab dem Erreichen eines bestimmten Druckwerts hat eine Steigerung der Ventilleistung zur Folge. Ab diesem Punkt wird die Leistungsgrenze des Ventils erreicht. Dies bedeutet, dass der Ventilkolben durch die Strömungskräfte nur noch einen geringen Hub ausführen kann. Dadurch wird die Überkompensation durch den verringerten Volumenstrom verhindert. Dies erzeugt eine Leistungssteigerung gegenüber den mechanischen Systemen.
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Der in 2 dargestellte Verlauf ist rein beispielshaft zu verstehen. Der tatsächlich gewählte Verlauf wird individuell an die beim konkreten Stellventil auftretenden Strömungskräfte angepasst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hydromaschine
- 11
- erster Stellzylinder
- 12
- zweiter Stellzylinder
- 13
- Hochdruckanschluss
- 14
- Niederdruckanschluss
- 15
- Stellraum
- 16
- Steuervorrichtung
- 20
- Druckfluidquelle
- 21
- Druckfluidsenke
- 22
- Tank
- 23
- Drucksensor
- 24
- Verbraucher
- 25
- Antriebsmotors
- 30
- Stellventil
- 31
- erster Kanal
- 32
- zweiter Kanal
- 33
- dritter Kanal
- 34
- Bohrung
- 35
- Gehäuse
- 36
- Verschlussschraube
- 40
- Steuerschieber
- 41
- Längsachse
- 42
- Steg
- 43
- Feder
- 44
- Druckentlastung
- 45
- Hilfssteg
- 50
- Stellmagnet
- 51
- Stellkraftrichtung
- 52
- Magnetspule
- 53
- Magnetanker
- 54
- Anschlussbuchse
- 55
- Druckstange
- 56
- Polrohr
- 60
- kritischer Druckbereich
