DE10257407A1

DE10257407A1 - System und Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikströmung

Info

Publication number: DE10257407A1
Application number: DE10257407A
Authority: DE
Inventors: Stephen V Lunzman
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd; Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd; Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2003-07-10
Also published as: JP2003214403A; US6725131B2; US20030125840A1

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikströmung durch ein Ventil ist vorgesehen, das mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger in Strömungsmittelverbindung steht. Das Verfahren umfasst das Überwachen des Lastdruckes des Ventils und das Auswählen eines Strömungslimits und eines Drucklimits des Ventils. Eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil wird bestimmt, basierend auf dem Strömungslimit, dem Drucklimit und einer gewünschten Strömungsdruckcharakteristik. Ein hydraulischer Strömungsratenbefehl wird berechnet, basierend auf der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und des überwachten Lastdruckes des Ventils.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikströmung durch ein Ventil. Insbesondere ist die Erfindung gerichtet auf ein System und Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikströmung durch ein Ventil durch Überwachen des Lastdruckes des Ventils.

Hintergrund

Es ist bekannt, ein Ventil in einem Hydraulikkreis einer Maschine, beispielsweise einen Bagger oder einen Lader zu verwenden, um eine Hydraulikströmung von einer Pumpe zu einem Zylinder, einem Hydraulikmotor oder irgendeiner anderen Vorrichtung zu steuern. Wenn ein Bedienungsmann der Maschine ein Ventil betätigt, beispielsweise durch Bewegen eines Hebels, strömt durch das Ventil ein unter Druck stehendes Strömungsmittel von der Pumpe zur Vorrichtung. Die Menge der Hydraulikströmung zur Vorrichtung kann gesteuert werden durch Ändern der Verschiebung eines im Ventil angeordneten Ventilkolbens.
Typischerweise ist ein zur Steuerung der Hydraulikströmung verwendetes Ventil mit einem Ventilkolben ausgestattet, der Zumessschlitze aufweist, die die Strömung durch das Ventil steuern. Das Ventil kann verschiedene Arten von Hydraulikströmungen steuern, beispielsweise eine Strömung von einer Pumpe zu einem Zylinder oder von einem Zylinder zu einem Behältertank. Eine der am häufigsten verwendeten Hydraulikkreise zur Steuerung der Hydraulikströmung, um die Vorrichtung zu betätigen, ist ein System mit offener Mittelstellung (des Ventils). In dem System mit offener Mittelstellung (des Ventils) vermindert sich eine Hydraulikströmung zur Vorrichtung, wenn der Lastdruck sich vergrößert. Somit versorgt das System mit offener Mittelstellung den Bedienungsmann der Maschine mit einem Gefühl für die Last, die an dem Zylinder oder an der Vorrichtung wirkt.
Um diese Strömungsdruckcharakteristik zu erreichen, verwendet das System mit offener Mittelstellung einen Bypass-Strömungspfad, der das hydraulische Strömungsmittel von der Pumpe zum Behälter durchleitet. Wenn eine Maschine, die ein System mit offener Mittelstellung aufweist, einer bestimmten Last ausgesetzt wird, entweicht etwas hydraulisches Strömungsmittel aus der Pumpe zum Behälter durch den Bypass-Strömungspfad. Wenn sich der Lastdruck erhöht, erhöht sich die Bypass-Strömung. Da die Hydraulikströmung im Bypass- Strömungspfad von der Pumpe zum Behälter strömt, ohne eine Arbeit zu verrichten, verschwendet das System mit offener Mittelstellung hydraulische Energie, und somit kann das System ineffektiv sein.
In manchen Fällen kann der Bedienungsmann der Maschine eine ungestörte und glatte Beschleunigung von Lasten hoher Trägheit oder Masse benötigen, und weniger ein Gefühl für die Last. In solchen Fällen kann es wünschenswert sein, einen Hydraulikkreis vorzusehen, der eine Strömungsdruckcharakteristik aufweist, die unterschiedlich ist gegenüber dem System mit offener Mittelstellung.

In der US-PS 5,218,820 wird ein hydraulisches Strömungssteuersystem zur Steuerung eines hydraulischen Betätigers offenbart. Das hydraulische Steuersystem umfasst ein Ventil, Zylinderdrucksensoren und einen Computer, der mit einem Modell der hydraulischen Betätiger unter unterschiedlichen Lastbedingungen programmiert ist. Basierend auf Signalen von den Drucksensoren sendet der Computer ein Signal, um das Ventil zu steuern. Dieses System jedoch sieht keine Flexibilität vor, um die Strömungsdruckcharakteristika zu ändern.

Somit ist es wünschenswert, ein hydraulisches Strömungssteuersystem vorzusehen, das effizient ist und Flexibilität vorsieht, um den Hydraulikkreis mit unterschiedlichen Strömungsdruckcharakteristika zu versorgen. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der mit den bisherigen Konstruktionen zusammenhängenden Probleme zu lösen.

Zusammenfassung der Erfindung

In einem Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Strömung durch ein Ventil vorgesehen, das in Strömungsmittelverbindung mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger steht. Das Verfahren umfasst das Überwachen eines Lastdruckes bzw. Ladedruckes des Ventils und das Auswählen eines Strömungslimits und eines Drucklimits des Ventils. Eine Strömungs- Druck-Beziehung im Ventil wird bestimmt auf der Basis des Strömungslimits, des Drucklimits und einer Soll-Strömungsdruckcharakteristik. Ein hydraulischer Strömungsratenbefehl wird auf der Basis der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und des überwachten Lastdruckes des Ventils berechnet.

Gemäß einem anderen Aspekt sieht ein Verfahren eine Vielzahl von Strömungs-Druck-Beziehungen in einem Ventil vor, das in Strömungsmittelverbindung mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger steht. Das Verfahren umfasst das Auswählen eines Strömungslimits und eines Drucklimits des Ventils. Eine erste Strömungs-Druck-Beziehung aus der Vielzahl von Strömungs- Druck-Beziehungen im Ventil wird bestimmt auf der Basis des Strömungslimits, des Drucklimits und einer ersten Soll-Strömungsdruckcharakteristik. Eine zweite Strömungs-Druck-Beziehung aus der Vielzahl von Strömungs-Druck-Beziehungen im Ventil wird bestimmt auf der Basis des Strömungslimits, des Drucklimits und einer zweiten Soll-Strömungsdruckcharakteristik, die sich von der ersten Soll-Strömungsdruckcharakteristik unterscheidet.

Gemäß einem anderen Aspekt ist ein System zur Steuerung der hydraulischen Strömung in einem Ventil vorgesehen, das in Strömungsmittelverbindung mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger steht. Das Ventil weist einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss auf. Das System umfasst einen Drucksensoranordnung zur Überwachung des Lastdruckes und eine Strömungssteuervorrichtung, die elektrisch gekuppelt ist mit der Drucksensoranordnung. Die Steuervorrichtung umfasst eine Strömungs-Druck-Steuereinheit, die konfiguriert ist, um eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil auf der Basis eines Strömungslimits, eines Drucklimits des Ventils und einer Soll-Strömungsdruckcharakteristik zu bestimmen.

Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines hydraulischen Betätigers vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Speichern der vorbestimmten Ventilbetätigungscharakteristika und das Erzeugen von Eingabesignalen auf der Basis der Bewegung einer Eingabevorrichtung. Eine Strömungs-Druck-Beziehung wird simuliert auf der Basis der Eingabesignale und der vorbestimmten Ventilbetätigungscharakteristika. Ein Ventilbefehl wird erzeugt auf der Basis der Strömungs-Druck-Simulation. Die Bewegung des Betätigers wird verursacht durch Zusammenwirken bzw. durch Verbindung des Ventilbefehls mit einem Steuerventil, das in Strömungsmittelverbindung mit dem Betätiger steht.

Es ist klar, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft sind und der Erklärung dienen und die Erfindung nicht einschränken sollen, wie beansprucht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die beigefügte Zeichnung, die in die Beschreibung einbezogen und Bestandteil derselben ist, zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und dient dazu, zusammen mit der Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische und graphische Darstellung einer Maschine, die ein hydraulisches Strömungssteuersystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 2 ein Strömungsdrucksteuerdiagramm, das eine Strömungs-Druck-Beziehung eines Systems mit offener Mittelstellung darstellt; und
Fig. 3 ein Strömungsdrucksteuerdiagramm, das verschiedene Strömungs- Druck-Beziehungen des beispielhaften hydraulischen Strömungssteuersystems gemäß Fig. 1 darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Es wird nun detailliert Bezug genommen auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Wo immer möglich, werden gleiche Bezugsziffern in der ganzen Zeichnung verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu kennzeichnen.
Fig. 1 zeigt schematisch und graphisch eine Maschine, die ein System zur Steuerung einer hydraulischen Strömung durch ein Ventil gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Maschine 10 kann ein Bagger, ein Lader oder irgendein anderes Gerät sein, die ein Hydrauliksystem benutzen, um eine Last zu bewegen. Die Maschine 10 umfasst eine Pumpe 12, die typischerweise durch einen (in der Figur nicht dargestellten) Motor, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, angetrieben wird. Die Pumpe 12 weist einen Pumpenauslassanschluss 14 auf, der mit einer Leitung 16 verbunden ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Maschine 10 einen doppelt-wirkenden Zylinder 18. Der doppelt-wirkende Zylinder 18 weist ein Paar von Betätigungskammern auf, nämlich eine Kopfendbetätigungskammer 20 und eine Stangenendbetätigungskammer 22. Die Kopfendbetätigungskammer 20 und die Stangenendbetätigungskammer 22 sind durch einen Kolben 24 getrennt, der eine Kolbenstange 26 aufweist. Der doppelt-wirkende Zylinder 18 kann ein Hydraulikzylinder oder jede andere geeignete Werkzeugvorrichtung sein, die zum Anheben, Absenken oder anderweitigem Bewegen eines Teils der Maschine 10 verwendet werden. Obwohl das Ausführungsbeispiel in Bezug auf einen Hydraulikzylinder beschrieben wird, ist diese Erfindung nicht auf einen Zylinder eingeschränkt, und die Maschine 10 kann einen Hydraulikmotor oder jedes andere geeignete Werkzeug einschließen.
Die Maschine 10 umfasst ein hydraulisches Strömungssteuersystem 49. Das hydraulische Strömungssteuersystem 49 weist ein Ventil 28 auf, das über eine Leitung 16 mit dem Druckauslassanschluss 14 der Pumpe 12 verbunden ist. Das Ventil 28 weist einen Ventilkolben 30 auf. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ventil 28 ein Vier-Wege-Proportionalventil. Jedoch ist die Erfindung nicht auf ein Vier-Wege-Proportionalventil beschränkt, und das Ventil 28 kann jedes andere geeignete, im Stand der Technik bekannte Ventil sein. Nur beispielhaft soll in Betracht gezogen werden, dass das Ventil 28 ein unabhängiges Zumessventil (independent metering valve = IMV) sein kann. Wie dem Fachmann bekannt ist, weist ein IMV typischerweise eine Vielzahl von unabhängig arbeitenden Ventilen auf, die in Strömungsmittelverbindung sein können mit einer Pumpe, einem Zylinder, einem Behälter und/oder mit jeder anderen in einem Hydraulikkreis vorhandenen Vorrichtung. Das IMV gestattet ein unabhängiges Zumessen jedes der Ventile, um die Hydraulikströmung in vielfachen Hydraulikpfaden zu steuern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das hydraulische Strömungssteuersystem 49 jedes der unabhängig arbeitenden Ventile im IMV steuern.
Das hydraulische Strömungssteuersystem 49 weist auch einen Betätiger 32 auf, um den Ventilkolben 30 in eine Soll-Position zu bewegen, um dadurch die Hydraulikströmung durch das Ventil 28 zu steuern. Die Verschiebung des Ventilkolbens 30 ändert die Strömungsrate des hydraulischen Strömungsmittels durch das Ventil 28. Der Betätiger 32 kann ein Elektromagnetbetätiger oder jeder andere im Stand der Technik bekannte Betätiger sein.
Das Ventil 28 umfasst einen mit der Pumpe 12 durch die Leitung 16 verbundenen ersten Anschluss 34, einen mit einem Behältertank 38 durch eine Leitung 40 verbundenen zweiten Anschluss 36, einen mit der Kopfendbetätigungskammer 20 des Zylinders 18 durch eine Leitung 44 verbundenen dritten Anschluss 42 und einen mit der Stangenendbetätigungskammer 22 des Zylinders 18 durch die Leitung 48 verbundenen vierten Anschluss 46. Das Ventil 28 weist eine erste Position und eine zweite Position auf. In der (in Fig. 1 gezeigten) ersten Position steht der erste Anschluss 34 mit dem dritten Anschluss 42 in Strömungsmittelverbindung, und das Ventil 28 leitet das Strömungsmittel von der Pumpe 12 zur Kopfendbetätigungskammer 20 des Zylinders 18 durch. Gleichzeitig steht der zweite Anschluss 36 mit dem vierten Anschluss 46 in Strömungsmittelverbindung, und das Ventil 28 entleert das Strömungsmittel aus der Stangenendbetätigungskammer 22 zum Behältertank 38.
Alternativ steht in der (in Fig. 1 nicht gezeigten) zweiten Position der erste Anschluss 34 mit dem vierten Anschluss 46 in Strömungsmittelverbindung, und das Ventil 28 leitet das Strömungsmittel von der Pumpe 12 zur Stangenendbetätigungskammer 22 durch. Gleichzeitig steht der zweite Anschluss 36 mit dem dritten Anschluss 42 in Strömungsmittelverbindung, um das Strömungsmittel von der Kopfendbetätigungskammer 20 zum Behältertank 38 durchzuleiten. Der Ventilkolben 30 des Ventils 28 kann durch den Betätiger 32 bewegt werden, um den Strömungsmittelfluss durch das Ventil 28 zuzumessen sowie um das Ventil 28 zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen. Das Ventil 28 kann auch eine neutrale Position haben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Ventil 28 einen Kolbenpositionssensor 51 zum Abfühlen der Position des Ventilkolbens 30 aufweisen. Der Kolbenpositionssensor 51 kann ein optischer Sensor oder jeder andere geeignete Sensor sein, der die Position des Ventilkolbens 30 abfühlen kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst das hydraulische Strömungssteuersystem 49 einen Drucksensor 52, um einen Auslassanschlussdruck (Lastdruck, wie in Fig. 1 gezeigt) des Ventils 28 zu überwachen. Das hydraulische Strömungssteuersystem 49 kann auch einen Drucksensor 52 aufweisen, um einen Einlassanschlussdruck des Ventils 28 zu überwachen, um eine Druckdifferenz oder einen Druckabfall am Ventil 28 zu bestimmen bzw. festzustellen. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Drucksensoren 52 an den Leitungen 16, 44 angeordnet. Wenn das Strömungsmittel von der Pumpe 12 zur Kopfendbetätigungskammer 20 fließt, überwacht der Sensor 52 an der Leitung 16 den Einlassanschlussdruck, und der Sensor 52 an der Leitung 44 überwacht den Auslassanschlussdruck, der in diesem Ausführungsbeispiel der Lastdruck ist. Aus den Druckablesungen von den Drucksensoren 52 an den Leitungen 16, 44 kann der Druckabfall am Ventil 28 für die Pumpen-Zu-Zylinder-Strömung bestimmt werden.
Das hydraulische Strömungssteuersystem 49 kann mit (hier nicht gezeigten) Sensoren an den Leitungen 40, 48 versehen werden, die den Druckabfall am Ventil 28 für die Zylinder-zu-Tank-Strömung überwachen. In diesem Falle kann der (nicht gezeigte) Sensor an der Leitung 48 den Lastdruck überwachen.
Wenn das Strömungsmittel von der Pumpe 12 zur Stangenendbetätigungskammer 22 fließt, überwachen die Sensoren 52 an den Leitungen 16, 48 den Druckabfall am Ventil 28 für die Pumpen-Zu-Zylinder-Strömung. In diesem Falle überwacht der Sensor 52 an der Leitung 16 den Einlassanschlussdruck, und der Sensor 52 an der Leitung 48 überwacht den Auslassanschlussdruck, der der Lastdruck ist. Die Sensoren 52 an den Leitungen 40, 44 können auch den Druckabfall am Ventil 28 für die Zylinder-Zu-Tank-Strömung überwachen.
Die Orte und die Anzahl der Sensoren der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die in Fig. 1 dargestellte besondere Anordnung begrenzt. Die Drucksensoren 52 können an jedem Ort angeordnet bzw. platziert werden, der geeignet ist, um den Soll-Lastdruck des Ventils 28 oder einen Soll-Druckabfall am Ventil 28 zu bestimmen. Dem Fachmann ist es klar, dass jede Drucksensoranordnung verwendet werden kann, die in der Lage ist, den Lastdruck des Ventils 28 und einen Druckabfall am Ventils 28 zu ermitteln.
Das hydraulische Strömungssteuersystem 49 umfasst eine Steuervorrichtung 50, die an den Betätiger 32 und die Drucksensoren 52 elektrisch gekuppelt sind. Die Steuervorrichtung 50 empfängt die Druckablesungen P_pump und P_load von den Drucksensoren 52 an einer Pumpenseite bzw. Zylinderseite des Ventils 28. Die Steuervorrichtung 50 sendet auch ein elektrisches Befehlssignal i_cmd zum Betätiger 32. Ansprechend auf das elektrische Befehlssignal, legt der Betätiger 32 eine veränderliche Kraft an, um den Ventilkolben 30 steuerbar um eine Soll-Verschiebung zu bewegen, um die Hydraulikströmung durch das Ventil 28 zu steuern.
Ein Bedienungseingabemittel 54, beispielsweise ein Hebel, kann elektrisch verbunden werden mit der Steuervorrichtung 50, und ein Hebelbefehl kann vom Bedienungseingabemittel 54 zur Steuervorrichtung 50 gesendet werden, um eine hydraulische Strömungsrate Q_act durch das Ventil 28 zu steuern. Durch Betätigen des Bedienungseingabemittels 54 kann der Bedienungsmann den Zylinder 18 in gewünschter Weise steuern.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 50 eine Modulationssteuereinheit 56 aufweisen, die an das Bedienungseingabemittel 54 gekuppelt ist. Die Modulationssteuereinheit 56 überträgt Signale vom Bedienungseingabemittel 54 in ein Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und ein Zylinderkraftlimit F_lim. In einem Ausführungsbeispiel kann die Modulationssteuereinheit 54 (eigentlich "56") zwei Tabellen umfassen. Eine Tabelle enthält die Zylindergeschwindigkeitslimits V_lim bezüglich der verschiedenen Hebelpositionen des Bedienungseingabemittels 54. Eine andere Tabelle enthält die Zylinderkraftlimits F_lim bezüglich der verschiedenen Hebelpositionen des Bedienungseingabemittels 54. Diese Tabellen können vor Inbetriebnahme der Maschine 10 erstellt werden, beispielsweise während eines Testlaufs des hydraulischen Strömungssteuersystems 49 oder eines Labortests, und werden in der Modulationssteuereinheit 56 vorgespeichert. Die Werte in den Tabellen können adjustiert bzw. eingestellt werden, um eine gewünschte Beziehung bzw. Soll-Beziehung zu erstellen zwischen der Hebelposition und dem Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim oder dem Zylinderkraftlimit F_lim. Bei Verwendung der Tabellen überträgt die Modulationssteuereinheit 56 die Signale vom Bedienungseingabemittel 54, beispielsweise einer Hebelposition, in das Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und das Zylinderkraftlimit F_lim.
Die Steuervorrichtung 50 kann auch eine Zylindertransformationseinheit 58 umfassen, die an die Modulationssteuereinheit 56 gekuppelt ist. Die Zylindertransformationseinheit 58 berechnet ein Ventilflusslimit Q_lim und ein Ventildrucklimit P_lim aus dem Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und dem Zylinderkraftlimit F_lim, die durch die Modulationssteuereinheit 56 bereitgestellt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine bekannte mathematische Formel verwendet, um das Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim in das Ventilflusslimit Q_lim und das Zylinderkraftlimit F_lim in das Ventildrucklimit P_lim zu konvertieren bzw. umzuformen, basierend auf bekannten Dimensionen des Zylinders 18, wie beispielsweise einen Kolbendurchmesser und einen Kolbenstangendurchmesser. Beispielsweise kann das Ventilflusslimit Q_lim bestimmt werden durch das Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim, multipliziert mit einer Arbeitsfläche des Kolbens. Das Ventildrucklimit P_lim kann bestimmt werden durch das Zylinderkraftlimit F_lim, geteilt durch die Arbeitsfläche des Kolbens. Das Verfahren der Konversion bzw. der Umwandlung ist nicht eingeschränkt auf das vorstehend beschriebene Verfahren. Für den Fachmann ist es klar, dass die Umwandlung der Zylindergeschwindigkeits- und der Zylinderkraftlimits in die Ventilströmungs- und Ventildrucklimits auch durch andere Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Steuervorrichtung 50 umfasst eine Strömungsdrucksteuereinheit 60. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsdrucksteuereinheit 60 an die Zylindertransformationseinheit 58 und den Drucksensor 52 an der Leitung 44 gekuppelt. Die Strömungsdrucksteuereinheit 60 empfängt die Ventilfluss- und die Ventildrucklimits Q_lim und P_lim von der Zylindertransformationseinheit 58, und das Lastdrucksignal P_load vom Drucksensor 52 an der Leitung 44. Basierend auf dem Ventilflusslimit Q_lim und dem Ventildrucklimit P_lim und einer Soll-Strömungsdruckcharakteristik, bestimmt die Strömungsdrucksteuereinheit 60 eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil 28. Durch Verwendung der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und des Lastdrucksignals vom Drucksensor 52 berechnet die Strömungsdrucksteuereinheit 60 einen hydraulischen Strömungsratenbefehl Q_cmd.
Fig. 2 zeigt ein Strömungsdrucksteuerdiagramm, das eine typische Strömungs- Druck-Beziehung eines Systems mit offener Mittelstellung (open center system) aufweist. Das Diagramm zeigt drei Strömungsdruckkurven für unterschiedliche Signale (dargestellt als unterschiedliche Hebelpositionen in Fig. 2) vorn Bedienungseingabemittel 54. Jede Strömungsdruckkurve repräsentiert eine Strömungs-Druck-Beziehung für eine entsprechende Hebelposition (hohe, mittlere und niedrige Hebelpositionen). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die hohen, mittleren und niedrigen Hebelpositionen auf 100%, 50% bzw. 10% der maximalen Hebelposition eingestellt werden bzw. angesetzt sein.
In Fig. 2 repräsentiert jede Kurve eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil 28, und der Verlauf der Kurven repräsentiert eine Strömungsdruckcharakteristik im Ventil 28. Alle Kurven in Fig. 2 haben einen ähnlichen Verlauf, der eine typische Strömungsdruckcharakteristik eines Systems mit offener Mittelstellung ist. In der Strömungs-Druck-Beziehung der Kurven in Fig. 2 ist die Strömungsdruckcharakteristik derart, dass die Strömung bei einer bestimmten Rats abfällt bzw. kleiner wird, um dem Bedienungsmann ein Gefühl für die Last zu geben, wenn der Druck ansteigt bzw. größer wird. Jede Kurve verläuft zwischen dem Ventilflusslimit Q_lim und dem Ventildrucklimit P_lim. Im Diagramm definiert das Ventilflusslimit Q_lim den Punkt auf der Kurve, wo der Ventildruck gleich null ist, und das Ventildrucklimit P_lim definiert den Punkt auf der Kurve, wo der Ventilfluss gleich null ist.
Das Strömungsdrucksteuerdiagramm gemäß Fig. 3 zeigt verschiedene Strömungs-Druck-Beziehungen des hydraulischen Strömungssteuersystems 49. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt das Diagramm Kurven für drei unterschiedliche Hebelpositionen, nämlich hohe, mittlere und niedrige Hebelpositionen. Jede Kurve verläuft zwischen dem Ventilflusslimit Q_lim und dem Ventildrucklimit P_lim.
Für jede Hebelposition zeigt das Diagramm in Fig. 3 unterschiedliche Strömungsdruckcharakteristika, wie durch eine durchgezogene Linie A, eine erste gestrichelte Kurve B und eine zweite gestrichelte (eigentlich "strichpunktierte") Kurve C gezeigt ist. Jede der Linien und Kurven hat ihre eigene einzigartige Strömungsdruckcharakteristik, die durch den Verlauf der Kurven oder die Steigung der Linie wiedergegeben ist. Der Verlauf der Kurve oder die Steigung der Linie kann geändert werden, um für eine besondere Anwendung der Vorrichtung geeignet zu sein. Beispielsweise definiert die erste gestrichelte Kurve B eine Strömungs-Druck-Beziehung eines typischen Systems mit offener Mittelstellung, das geeignet sein kann zur Bewegung eines Bagggerwerkzeugs. Die durchgezogene Linie A kann geeignet sein für einen Schwingkreis eines Baggers. Die zweite gestrichelte (eigentlich "strichpunktierte") Linie (eigentlich "Kurve") C kann eine Strömungsdruckcharakteristik anzeigen, die geeignet ist für eine glatte bzw. kontinuierliche Beschleunigung einer schweren Last.
Die Strömungsdrucksteuereinheit 60 kann Gleichungen, Tabellen oder Karten aufweisen, die zur Erstellung von Steigungen oder Verläufen der Kurven oder jeder anderen Strömungsdruckcharakteristik benutzt werden können, die zur Erfüllung der Anforderungen für eine gewünschte Anwendung abgestimmt werden können, beispielsweise eine glatte bzw. kontinuierliche Beschleunigung einer massiven Last oder ein Lastgefühl für die Bedienungsleute. Basierend auf der gewünschten Strömungsdruckcharakteristik und dem Ventilflusslimit Q_limund dem Ventildrucklimit P_lim, bestimmt die Strömungsdrucksteuereinheit 60 die Strömungs-Druck-Beziehungen, wie durch die Linien und Kurven in Fig. 3 definiert.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine einzelne Strömungsdruckcharakteristik in die Strömungsdrucksteuereinheit 60 vorprogrammiert werden. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Strömungsdrucksteuereinheit 60 mit vielfachen Strömungsdruckcharakteristika vorprogrammiert werden, und der Bedienungsmann kann eine Strömungsdruckcharakteristik auswählen, die für eine besondere Anwendung geeignet ist.
Basierend auf der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und dem Lastdrucksignal P_load vom Drucksensor 52, berechnet die Strömungsdrucksteuereinheit 60 einen Hydraulikflussratenbefehl Q_cmd und gibt diesen ab.
Gemäß Fig. 1 kann die Steuervorrichtung 50 auch eine elektronische Strömungssteuereinheit 62 aufweisen, die an die Strömungsdrucksteuereinheit 60 und die Drucksensoren 52 gekuppelt ist. Basierend auf den von den Drucksensoren 52 und dem Hydraulikflussratenbefehl Q_cmd empfangenen Drucksignalen, berechnet die elektronische Strömungssteuereinheit 62 ein Befehlssignal i_cmd an den Betätiger 32. In einem Ausführungsbeispiel kann die elektronische Strömungssteuereinheit 62 an den Kolbenpositionssensor 51 gekuppelt werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein elektro-hydraulisches druckkompensiertes Ventil (pressure compensated valve = PC-Ventil) und ein proportionales prioritätsdruck-kompensiertes Ventil (proportional priority pressure compensated valve = PPPC-Ventil) anstelle des Ventils 28, des Betätigers 32 und der elektronischen Strömungssteuereinheit 62 verwendet werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Gemäß Fig. 1 überwachen die Drucksensoren 52 die Einlassanschluss- und Auslassanschlussdrücke des Ventils 28. In dieser Anordnung ist der Auslassanschlussdruck der Lastdruck. Die Druckablesungen oder Signale der Einlassanschluss- und Auslassanschlussdrücke P_pump und P_load werden der elektronischen Strömungssteuereinheit 62 zugeleitet. Die Druckablesung oder das Signal des Auslassanschluss- oder Lastdrucks P_load wird auch der Strömungsdrucksteuereinheit 60 zugeleitet.
Wenn der Bedienungsmann das Bedienungseingabemittel 54 handhabt, beispielsweise durch Bewegung eines Hebels, liefert das Bedienungseingabemittel 54 den Hebelbefehl an die Modulationssteuereinheit 56. Basierend auf dem Hebelbefehl, bestimmt die Modulationssteuereinheit 56 das entsprechende Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und das Zylinderkraftlimit F_lim.
Das Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und das Zylinderkraftlimit F_lim werden sodann der Zylindertransformationseinheit 58 zugeleitet. Die Zylindertransformationseinheit 58 berechnet ein Ventilflusslimit Q_lim und ein Ventildrucklimit P_lim aus dem Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und dem Zylinderkraftlimit F_lim. Da einige Dimensionen des Zylinders 18, wie beispielsweise der Kolbendurchmesser und der Kolbenstangendurchmesser bekannt sind, können das Ventilflusslimit Q_lim und das Ventildrucklimit P_lim durch bekannte mathematische Formeln bestimmt werden aus dem Zylindergeschwindigkeitslimit V_lim und denn Zylinderkraftlimit F_lim.
Das Ventilflusslimit Q_lim und das Ventildrucklimit P_lim werden nachfolgend der Strömungsdrucksteuereinheit 60 zugeleitet. Die Strömungsdrucksteuereinheit 60 kann eine oder mehrere vorprogrammierte Strömungsdruckcharakteristika aufweisen. Durch Verwendung der Ventilfluss- und Ventildrucklimits Q_lim und P_lim als Referenzpunkte und Strömungsdruckcharakteristika erzeugt die Strömungsdrucksteuereinheit 60 eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil 28. Aus der bestimmten Beziehung und der Lastdruckablesung P_load vom Drucksensor 52 berechnet die Strömungsdrucksteuereinheit 60 den hydraulischen Strömungsratenbefehl Q_cmd.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der hydraulische Strömungsratenbefehl Q_cmd der elektronischen Strömungssteuereinheit 62 zugeleitet. Die elektronische Strömungssteuereinheit 62 berechnet aus dem hydraulischen Strömungsratenbefehl Q_cmd das Befehlssignal i_cmd für den Betätiger 32, und der Betätiger 32 bewegt den Ventilkolben 30, um einen Soll-Hydrauklikfluss durch das Ventil 28 zu erreichen.
Folglich sieht die vorliegende Erfindung ein hydraulisches Strömungssteuersystem vor, das effizient ist und Flexibilität vorsieht, um unterschiedliche Strömungsdruckcharakteristika des Hydraulikkreises anzupassen. Das hydraulische Strömungssteuersystem gemäß dieser Erfindung kann eine akkurate und flexible Steuerung einer Hydraulikströmung in einer Vielzahl von Arbeitsmaschinen schaffen.
Es ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen in dem Ventilströmungssteuersystem und im Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Rahmen und Geist der Erfindung zu verlassen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann offenbar aus der Betrachtung der Beschreibung und Ausübung der hier offenbarten Erfindung. Es ist beabsichtigt, dass die Spezifikation und die Beispiele nur als exemplarisch anzusehen sind, wobei der wahre Rahmen und der Geist der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angezeigt werden. (S- 20405)

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikströmung durch ein Ventil, das in Strömungsmittelverbindung steht mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Überwachen des Lastdruckes des Ventils;
Auswählen eines Strömungslimits und eines Drucklimits im Ventil;
Bestimmen einer Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil, basierend auf dem Strömungslimit, dem Drucklimit und einer gewünschten Strömungsdruckcharakteristik bzw. Soll-Strömungsdruckcharakteristik; und
Berechnen eines hydraulischen Strömungsratenbefehls, basierend auf der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und des überwachten Lastdruckes des Ventils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner folgendes vorgesehen ist:
Transformieren eines Zylindergeschwindigkeitslimits und eines Zylinderkraftlimits in das Strömungslimit und das Drucklimit des Ventils und Modulieren einer Eingabegröße des Bedienungsmanns bzw. eines Bedienungseingabemittels in das Zylindergeschwindigkeitslimit und das Zylinderkraftlimit.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lastdruck des Ventils an einem Auslassanschluss des Ventils überwacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömungs-Druck-Beziehung durch ein Strömungsdrucksteuerdiagramm repräsentiert wird, und die Strömungsdruckcharakteristik durch einen Verlauf bzw. eine Form des Diagramms repräsentiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner folgende Schritte vorgesehen sind:
Bestimmen eines Druckabfalls am Ventil; und
Berechnen eines Befehlssignals zum Betätigen des Ventils, basierend auf dem Druckabfall und dem hydraulischen Strömungsratenbefehl.

6. System zur Steuerung einer Hydraulikströmung in einem Ventil, das in Strömungsmittelverbindung steht mit einer Pumpe und einem hydraulischen Betätiger, wobei das Ventil einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss aufweist, und wobei folgendes vorgesehen ist:
eine Drucksensoranordnung zum Überwachen des Lastdrucks; und
eine Strömungssteuervorrichtung, die an die Drucksensoranordnung elektrisch gekuppelt ist, wobei die Steuervorrichtung eine Strömungsdrucksteuereinheit umfasst, die konfiguriert ist, um eine Strömungs-Druck-Beziehung im Ventil zu bestimmen, basierend auf einem Strömungslimit, einem Drucklimit des Ventils und einer gewünschten Strömungsdruckcharakteristik.

7. System nach Anspruch 6, wobei die Strömungsdrucksteuereinheit konfiguriert ist, um einen hydraulischen Strömungsratenbefehl zu berechnen, basierend auf der bestimmten Strömungs-Druck-Beziehung und dem überwachten Lastdruck des Ventils.

8. System nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung mit der gewünschten Strömungsdruckcharakteristik und einer zweiten gewünschten Strömungsdruckcharakteristik vorprogrammiert ist.

9. System nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung eine Zylindertransformationseinheit aufweist, die an die Strömungsdrucksteuereinheit gekuppelt ist, wobei die Zylindertransformationseinheit konfiguriert ist, um ein Zylindergeschwindigkeitslimit und ein Zylinderkraftlimit zu transformieren in das Strömungslimit und das Drucklimit des Ventils, und wobei die Steuervorrichtung eine Modulationssteuereinheit aufweist, die Zylindertransformationseinheit gekuppelt ist, wobei die Modulationssteuereinheit konfiguriert ist, um eine Eingabegröße des Bedienungsmanns bzw. ein Bedienungseingabemittel in ein Zylindergeschwindigkeitslimit und ein Zylinderkraftlimit zu modulieren.

10. System nach Anspruch 6, wobei die Strömungs-Druck-Beziehung durch ein Strömungsdrucksteuerdiagramm repräsentiert wird, und die Strömungsdruckcharakteristik durch eine Form des Diagramms repräsentiert wird.