DE10344480B3

DE10344480B3 - Hydraulische Ventilanordnung

Info

Publication number: DE10344480B3
Application number: DE10344480A
Authority: DE
Inventors: Brian Nielsen
Original assignee: Sauer Danfoss ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP4139802B2; CN1325805C; FR2861438B1; GB0421196D0; ITTO20040629A1; JP2005098504A; BRPI0404062B1; GB2406363B; GB2406363A; FR2861438A1; CN1601117A; US20050072954A1; RU2277646C1; BRPI0404062A; US7066446B2

Abstract

Es wird eine hydraulische Ventilanordnung (1) angegeben mit einer Arbeitsanschlußanordnung, die einen ersten Arbeitsanschluß (A) und einen zweiten Arbeitsanschluß (B) aufweist, wobei beide Arbeitsanschlüsse (A, B) mit einem hydraulischen Verbraucher (2) verbindbar sind, einer Versorgungsanschlußanordnung, die einen Druckanschluß (P) und einen Tankanschluß (T) aufweist, einer ersten Ventileinrichtung (10), die den Druckanschluß (P) verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß (A) oder dem zweiten Arbeitsanschluß (B) verbindet, einer zweiten Ventileinrichtung (18), die den Tankanschluß (T) verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß (A) oder dem zweiten Arbeitsanschluß (B) verbindet, und einer Steuereinrichtung (15), die die erste Ventileinrichtung (10) und die zweite Ventileinrichtung (18) steuert. DOLLAR A Man möchte eine präzise Steuerung des Verbrauchers auf einfache Weise ermöglichen können. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, daß mindestens eine Ventileinrichtung (10, 18) mit einem Öffnungsgradsensor (14, 22) versehen ist, der mit der Steuereinrichtung (15) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (15) die Ventileinrichtung (10, 18) in Abhängigkeit vom Signal des Öffnungsgradsensors (14, 22) und eines Vorgabesignals (PS, VS) steuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventilanordnung mit einer Arbeitsanschlußanordnung, die einen ersten Arbeitsanschluß und einen zweiten Arbeitsanschluß aufweist, wobei beide Arbeitsanschlüsse mit einem hydraulischen Verbraucher verbindbar sind, einer Versorgungsanschlußanordnung, die einen Druckanschluß und einen Tankanschluß aufweist, einer ersten Ventileinrichtung, die den Druckanschluß verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß oder dem zweiten Arbeitsanschluß verbindet, einer zweiten Ventileinrichtung, die den Tankanschluß verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß oder dem zweiten Arbeitsanschluß verbindet, und einer Steuereinrichtung, die die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung steuert.

Eine derartige hydraulische Ventilanordnung ist aus US 5 568 759 A bekannt. Ein Steuerhebel oder Joystick gibt ein Vorgabesignal an einen Mikroprozessor, der für beide Ventileinrichtungen Pilotventile betätigt, deren Schieber über Federn mit dem Schieber der jeweiligen Ventileinrichtung verbunden sind, so daß sich eine federgesteuerte Rückkopplung ergibt. Diese Ausgestaltung ist zwar in manchen Fällen insofern vorteilhaft, als beide Ventileinrichtungen jeweils nur in einer Richtung durchströmt werden, so daß die auf die Ventilelemente wirkenden Kräfte weitgehend unabhängig von der Arbeitsrichtung des Verbrauchers sind. Eine genaue Steuerung des Verbrauchers ist mit dieser Ventilanordnung aber nur schwer zu erzielen, weil Reibung in den mechanischen Teilen, Hysterese bei den Magnetventilen und externe Kräfte, z.B. vom Durchfluß hervorgerufene Kräfte, eine genaue Positionierung des Schiebers verhindern.

DE 38 10 111 A1 beschreibt eine Regeleinrichtung für einen Druckregelkreis mit zwei oder mehr Ventileinrichtungen, die jeweils mit einem Wegaufnehmer versehen sind. Der Wegaufnehmer ist mit einer Regeleinrichtung verbunden, wobei die Regeleinrichtung die Ventileinrichtungen in Abhängigkeit vom Signal des Wegaufnehmers regelt.

DE 100 12 405 A1 zeigt eine Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem Steuerventil. Die Druckleitungen zwischen dem Steuerventil und dem Aktuator sind mit Drucksensoren versehen. Diese Drucksensoren sind mit einer Rechenschaltung verbunden. Der Schieber des Steuerventils ist mit einem Wegaufnehmer versehen, dessen Ausgangssignal, das den Istwert der Position des Schiebers des Steuerventils anzeigt, ebenfalls mit der Rechenschaltung verbunden ist. Die Rechenschaltung bildet aus einer gewichteten Druckdifferenz der beiden Druckwerte einen Druck-Istwert, der einem unterlagerten Druckregelkreis zugeführt wird.

DE 43 14 801 A1 beschreibt eine hydraulische Anlage, insbesondere für eine Abkantpresse, bei der ein Aktuator über ein Steuerventil angesteuert wird, das in einer Stellung geschaltet werden kann, bei der Hydraulikflüssigkeit, die aus einem Druckraum des Aktuators verdrängt wird, unmittelbar dem anderen Druckraum des Aktuators zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine präzise Steuerung des Verbrauchers auf einfache Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine Ventileinrichtung mit einem Öffnungsgradsensor versehen ist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung die Ventileinrichtung in Abhängigkeit vom Signal des Öffnungsgradsensors und eines Vorgabesignals steuert, und daß die Steuereinrichtung mit der einen Ventileinrichtung einen Durchfluß durch die Arbeitsanschlußanordnung und mit der anderen Ventileinrichtung einen Druck in der Arbeitsanschlußanordnung steuert.

Mit Hilfe des Öffnungsgradsensors kann die Steuereinrichtung feststellen, wie groß die dem Verbraucher zuströmende Flüssigkeit oder die vom Verbraucher abströ mende Flüssigkeit ist, je nachdem, ob der Öffnungsgradsensor in der ersten oder in der zweiten Ventileinrichtung angeordnet ist. Über diesen Öffnungsgrad läßt sich dann die Bewegung bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit und damit auch die Position des Verbrauchers relativ genau steuern. In Abhängigkeit davon, wo die einzelnen Sensoren angeordnet sind und welche Ventileinrichtung gesteuert wird, läßt sich eine Abflußmengen-Steuerung in Verbindung mit einer Zuflußdruck-Steuerung (meter-out flow control und meter-in pressure control) oder eine Zuflußmengen-Steuerung und eine Abflußdruck-Steuerung (meter-in flow control und meter-out pressure control) realisieren. In beiden Fällen läßt sich die Geschwindigkeit des hydraulischen Verbrauchers in weiten Grenzen unabhängig von den herrschenden Lasten einstellen.

Vorzugsweise ist die Ventileinrichtung als Schieberventil ausgebildet und der Öffnungsgradsensor ist als Positionssensor ausgebildet, der eine Position eines Schiebers ermittelt. Damit wird zwar nicht mehr direkt der Öffnungsgrad ermittelt. Da jeder Position des Schiebers aber ein bestimmter Öffnungsgrad zugeordnet ist, läßt sich über die Position des Schiebers der Öffnungsgrad indirekt ermitteln. Als Positionssensor kann man einen Hall-Sensor, einen LVDT (linear variable differential transducer) oder einen anderen geeigneten Sensor verwenden.

Hierbei ist von Vorteil, wenn die Steuereinrichtung einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen der Position des Schiebers und dem Öffnungsgrad der Ventileinrichtung berücksichtigt. Ein derartiger Zusammenhang kann beispielsweise als Funktion oder als Tabelle hinterlegt sein, so daß die Steuereinrichtung auf einfache Weise die Position des Schiebers in einen Öffnungsgrad umrechnen kann.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit mindestens einer Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung verbunden, die eine Druckdifferenz über die mit dem Öffnungsgradsensor versehene Ventileinrichtung ermittelt. Aus dem Öffnungsgrad und der Druckdifferenz läßt sich, wenn die übrigen Charakteristika der Ventileinrichtung bekannt sind, die Durchflußmenge ermitteln. Die Durchflußmenge der Hydraulikflüssigkeit ist aber bestimmend für die Geschwindigkeit, mit der der hydraulische Verbraucher, der an die Arbeitsanschlußanordnung angeschlossen ist, betätigt werden kann. In Abhängigkeit davon, welche Ventileinrichtung mit dem Öffnungsgradsensor und der Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung versehen ist, läßt sich der Zufluß (metering-in) oder der Abfluß (metering-out) präzise steuern.

Vorzugsweise sind beide Arbeitsanschlüsse mit einem Drucksensor versehen, der jeweils mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Damit ergeben sich weitere Steuerungsmöglichkeiten. Über den Druck an den Arbeitsanschlüssen läßt sich der hydraulische Verbraucher steuern.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Drucksensoren als Teil der Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung ausgebildet sind. Man verwendet die Drucksensoren sozusagen doppelt, nämlich einmal zur Ermittlung einer Druckdifferenz und einmal zur Ermittlung eines absoluten Drucks.

Die Steuereinrichtung ermittelt die Druckdifferenz dann mit Hilfe eines dritten Drucksensors.

In einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung mit der zweiten Ventileinrichtung den Abfluß aus einem Arbeitsanschluß und mit der ersten Ventileinrichtung den Druck bei positiver Last am Verbraucher in dem Arbeitsanschluß und bei negativer Last im anderen Arbeitsanschluß steuert. Damit läßt sich sowohl bei positiven als auch bei negativen Lasten die Abflußmengen-Steuerung und die Zuflußdruck-Steuerung auf einfache Weise realisieren. Unter negativen Lasten sollen solche Lasten verstanden werden, die in Bewegungsrichtung des Verbrauchers wirken. Wenn der Verbraucher beispielsweise als hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist, die eine angehobene Last absenkt, dann wirkt die Last in Bewegungsrichtung des Verbrauchers, so daß man in diesem Fall den Druck in dem Arbeitsanschluß steuert, aus dem nicht die Abflußmenge gesteuert wird. Unter Drucksteuerung soll hier und im folgenden verstanden werden, daß der herrschende Druck mit einem vorgegebenen Druck in Übereinstimmung gebracht werden soll. Natürlich kann man den jeweiligen Druck auch durch Messung in beiden Arbeitsanschlüssen ermitteln.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung mit der ersten Ventileinrichtung den Zufluß zu einem Arbeitsanschluß und mit der zweiten Ventileinrichtung den Druck im selben Arbeitsanschluß steuert. In diesem Fall läßt sich die Zuflußmengen-Steuerung im Zusammenhang mit einer Abflußdruck-Steuerung realisieren. Diese Steuerung funktioniert bei positiven und bei negativen Lasten in gleicher Weise.

Bevorzugterweise ist zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen eine dritte Ventileinrichtung angeordnet, die eine Verbindung zwischen den Arbeitsanschlüssen entweder sperrt oder freigibt. Die Freigabe kann ganz oder teilweise erfolgen. Mit der dritten Ventileinrichtung ergeben sich zusätzliche Vorteile. Wenn die dritte Ventileinrichtung beispielsweise beim Absenken einer Last geöffnet wird, dann muß die Flüssigkeit zu dem Arbeitsanschluß, der mit einem sich im Verbraucher vergrößernden Arbeitsraum verbunden ist, nicht mehr über den Druckanschluß bereitgestellt werden. Vielmehr kann man die Flüssigkeit, die aus dem anderen Arbeitsanschluß abfließt, wieder zurückführen, so daß sich ein energiesparender Betrieb ergibt.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Verbraucher an beiden Anschlüssen unterschiedlichen Flüssigkeitsbedarf hat und die Steuereinrichtung eine Koppeleinrichtung aufweist, die die Betätigung der dritten Ventileinrichtung mit einer Betätigung der ersten oder zweiten Ventileinrichtung verbindet. Beispielsweise haben hydraulische Aktuatoren, die als Kolben-Zylinder-Einheit mit einer nur einseitig herausgeführten Kolbenstange ausgebildet sind, zwei Druckräume, deren Querschnittsflächen unterschiedlich ausgebildet sind. Die Querschnittsfläche in dem Druckraum, in dem die Kolbenstange angeordnet ist, ist kleiner als die Querschnittsfläche des Druckraums, in dem keine Kolbenstange angeordnet ist. Dementsprechend ergibt sich beim Einfahren der Kolbenstange in den Zylinder eine Abflußmenge aus dem Druckraum ohne Kolbenstange, die größer ist als die Zuflußmenge zum Druckraum mit Kolbenstange. Die überschießende Flüssigkeitsmenge kann über die zweite Ventileinrichtung abgeführt werden. Wenn sich hingegen beim Absenken einer Last der Druckraum mit Kolbenstange verkleinert, dann muß dem Druckraum ohne Kolbenstange eine größere Menge an Flüssigkeit zugeführt werden. In diesem Fall wird die erste Ventileinrichtung mit betätigt.

Vorzugsweise ist eine Schwimmstellung einstellbar, in der die dritte Ventileinrichtung die beiden Arbeitsanschlüsse miteinander verbindet und die zweite Ventileinrichtung eine der beiden Arbeitsanschlüsse mit dem Tankanschluß verbindet. In manchen Anwendungen ist es erforderlich, beide Arbeitsanschlüsse gleichzeitig mit dem Tankanschluß zu verbinden, um eine freie Beweglichkeit des hydraulischen Verbrauchers zu erreichen. Diese Schwimmstellung ist auf die geschilderte Weise einfach einstellbar.

Vorzugsweise sind nur drei Drucksensoren vorgesehen, von denen zwei den Druck in den Arbeitsanschlüssen und einer den Druck entweder am Druckanschluß oder am Tankanschluß ermittelt. Man kommt also mit relativ wenigen Sensoren aus. Natürlich ist es möglich, in dem Gehäuse der Ventilanordnung für weitere Sensoren Montageplätze zu schaffen. Diese lassen sich mit vertretbarem Aufwand herstellen. In Abhängigkeit von dem gewünschten Ein satzzweck (meter-in oder meter-out) lassen sich dann die einzelnen Drucksensoren montieren.

Auch ist von Vorteil, wenn nur ein Öffnungsgradsensor vorgesehen ist, der an der ersten Ventileinrichtung oder an der zweiten Ventileinrichtung angeordnet ist. Hier gilt das gleiche, wie für die Drucksensoren. Man kommt mit relativ wenigen Sensoren aus, auch wenn zusätzliche Montageplätze vorgesehen sein können, um die Flexibilität der Ventilanordnung zu vergrößern.

Bevorzugterweise sind alle Arbeitsanschlüsse auf der gleichen Seite eines die Ventilanordnung aufnehmenden Gehäuses angeordnet. Dies ermöglicht es, daß die Schlauchführungen für die Anschlüsse auf der gleichen Seite des Ventils herausgeführt werden können. Es läßt sich also eine einfachere Gehäusegestaltung realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Ventilanordnung,
2 eine schematische Darstellung zur Regelung des Öffnungsgrads eines Ventils und
3 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ventilanordnung.
Eine hydraulische Ventilanordnung 1 weist zwei Arbeitsanschlüsse A, B auf, die mit einem hydraulischen Verbraucher 2 verbunden sind. Der hydraulische Verbraucher 2 ist in diesem Fall durch eine Kolben-Zylinder-Einheit gebildet, die eine Last 3 anhebt. Beispielsweise wird die Kolben-Zylinder-Einrichtung an einem Traktor eingesetzt, um eine Hebeeinrichtung für einen Pflug oder ein anderes Anbaugerät zu bilden.
Der Verbraucher weist einen Zylinder 4 auf, in dem ein Kolben 5 angeordnet ist. Der Kolben 5 ist auf einer Seite mit einer Kolbenstange 6 verbunden, die wiederum auf die Last 3 einwirkt. Dementsprechend ergibt sich ein erster Druckraum 7 mit einer Querschnittsfläche, die größer ist als die Querschnittsfläche eines zweiten Druckraums 8. Der erste Druckraum 7 ist mit dem Arbeitsanschluß A verbunden. Der zweite Druckraum 8 ist mit dem Arbeitsanschluß B verbunden.
Der zum Ansteuern des Verbrauchers notwendige Druck wird über einen Druckanschluß P bereitgestellt, der mit einer nicht näher dargestellten Pumpe oder einer anderen Druckquelle verbunden sein kann. Am Druckanschluß P ist ein Drucksensor 9 vorgesehen, der einen Druck Pp ermittelt, also den Druck am Druckanschluß.
In 1 sind Drucksensoren an allen möglichen Positionen dargestellt, wo sie prinzipiell eingesetzt werden können. Wie weiter unten erläutert werden wird, ist es für den Betrieb der Ventilanordnung aber nicht erforderlich, daß tatsächlich an allen eingezeichneten Positionen Drucksensoren vorhanden sind. Zweckmäßiger weise wird man aber an allen diesen Positionen Aufnahmen für Drucksensoren vorsehen.
Der Druckanschluß P ist über eine erste Ventileinrichtung 10 mit den beiden Arbeitsanschlüssen A, B verbunden. Die erste Ventileinrichtung 10 ist als Schieberventil ausgebildet mit einem Schieber 11, der durch Federn 12, 13 in seiner Neutralstellung gehalten wird, in der eine Verbindung zwischen dem Druckanschluß P und den beiden Arbeitsanschlüssen A, B unterbrochen ist. Wenn der Schieber 11 verschoben wird, dann stellt die erste Ventileinrichtung entweder eine Verbindung zwischen dem Druckanschluß P und dem einen Arbeitsanschluß A oder zwischen dem Druckanschluß P und dem anderen Arbeitsanschluß B dar.
Die Position des Schiebers 11 wird über einen Positionssensor 14 ermittelt. Da mit der Position des Schiebers 11 gleichzeitig eine Aussage über den Öffnungsgrad oder die Öffnungsweite der ersten Ventileinrichtung zur Verfügung steht, wird der Positionssensor 14 auch als Öffnungsgradsensor 14 bezeichnet. Der Öffnungsgradsensor 14 erzeugt ein Signal x, das einer Steuereinrichtung 15 zugeführt wird.
Die erste Ventileinrichtung 10 ist pilotventilgesteuert, d.h. es ist ein Pilotventil 16 vorgesehen, das einen Magnetantrieb 17 oder einen anderen Antrieb aufweist, der von der Steuereinrichtung 15 angesteuert wird. Das Pilotventil 16 leitet entweder Druck von einem Steuerdruckanschluß Pc zur ersten Stirnseite des Schiebers 11 und verbindet die zweite Stirnseite des Schiebers 11 mit dem Tankanschluß. In diesem Fall wird der Schieber 11 in eine Richtung bewegt. Oder das Pilotventil 16 verbindet die zweite Stirnseite mit dem Druckanschluß P und die erste Stirnseite mit dem Tankanschluß T. In diesem Fall wird der Schieber 11 in die andere Richtung bewegt. Wenn sich das Pilotventil 16 in der dargestellten Neutralstellung befindet, dann wird der Schieber 11 in die ebenfalls dargestellte Neutralstellung bewegt.
Die erste Ventileinrichtung 10 wird also unabhängig davon, welcher der beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit Druck beaufschlagt wird, immer in der gleichen Richtung durchströmt.
Eine zweite Ventileinrichtung 18 ist ähnlich aufgebaut, d.h. sie weist einen Schieber 19 auf, der durch Federn 20, 21 in der dargestellten Neutralstellung gehalten wird. Die zweite Ventileinrichtung weist einen Positionssensor 22 auf, der ein Signal y ausgibt, das die Position des Schiebers 19 in der zweiten Ventileinrichtung 18 und damit den Öffnungsgrad anzeigt. Auch dieses Signal wird der Steuereinrichtung 15 zugeführt.
Die zweite Ventileinrichtung 18 verbindet, wenn der Schieber 19 aus der Neutralstellung ausgelenkt worden ist, den Tankanschluß T entweder mit dem einen Arbeitsanschluß A oder mit dem anderen Arbeitsanschluß B. In der dargestellten Neutralstellung des Schiebers 19 ist die Verbindung allerdings vollständig unterbrochen.
Im Tankanschluß T ist ein Drucksensor 23 angeordnet, der einen Druck Pt ermittelt und an die Steuereinrichtung 15 weitermeldet.
Auch die zweite Ventileinrichtung 18 ist pilotgesteuert, d.h. es ist ein Pilotventil 24 vorgesehen, dessen Magnetantrieb 25 oder anderer Antrieb von der Steuereinrichtung 15 betätigt wird, um den Schieber 19 unter der Steuerung von hydraulischen Drücken zu verschieben.
Im Arbeitsanschluß A ist ein Drucksensor 30 angeordnet, der einen Druck Pa ermittelt. Im Arbeitsanschluß B ist ein Drucksensor 31 angeordnet, der einen Druck Pb ermittelt. Die Drucksensoren 30, 31 ermitteln also die jeweils an den Arbeitsanschlüssen A, B herrschenden Drücke und melden Sie an die Steuereinrichtung 15 weiter.
Mit der dargestellten Ventilanordnung sind nun verschiedene Betriebsweisen möglich. Die dazu erforderlichen Sensoren ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, wie man die Ventilanordnung 1 betreiben kann. Um die nachfolgende Erläuterung zu vereinfachen, wird davon ausgegangen, daß der zweite Arbeitsanschluß B mit Flüssigkeit unter Druck versorgt wird, während aus dem ersten Arbeitsanschluß A Flüssigkeit zum Tankanschluß T abfließen soll.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die abströmende Flüssigkeit und den Druck am Arbeitsanschluß B, der mit Flüssigkeit versorgt wird, zu steuern. In diesem Fall kann man die Geschwindigkeit der Bewegung des Verbrauchers 2, im vorliegenden Fall also die Bewegung der Last 3 dadurch steuern, daß man die zweite Ventilein richtung 18 steuert. Das Druckniveau im Verbraucher 2 wird durch die erste Ventileinrichtung 10 gesteuert.
In diesem Fall sollte man einen Drucksensor 23 im Tankanschluß T anordnen. Dieser Drucksensor 23 erlaubt es der Steuereinrichtung 15, zusammen mit dem Drucksignal Pa des Drucksensors 30 eine Druckdifferenz über die zweite Ventileinrichtung 18 zu ermitteln. Man verwendet ebenfalls den Positions- oder Öffnungsgradsensor 22, der eine Aussage über den Öffnungsgrad der zweiten Ventileinrichtung 18 erlaubt. In Kenntnis der Druckdifferenz über die zweite Ventileinrichtung 18 und den Öffnungsgrad läßt sich nun der Volumenstrom aus dem Druckraum 7 über den ersten Arbeitsanschluß A ermitteln. Natürlich müssen in diese Ermittlung noch weitere Faktoren einfließen, die aber in der zweiten Ventileinrichtung 18 konstant oder jedenfalls bekannt sind.
Bei dieser "meter-out flow control" und "meter-in pressure control" benötigt man also nur drei Drucksensoren 23, 30, 31 und einen Positionssensor 22. Der Drucksensor 31 wird auch bei der umgekehrten Bewegung des Verbrauchers 2 benötigt.
Bei einer positiven Last 3, d.h. wenn die von der Last 3 ausgeübte Kraft in eine andere Richtung wirkt als die Bewegung des Kolbens 5, dann wird der Öffnungsgrad der ersten Ventileinrichtung 10 so gesteuert, daß sich der gewünschte Druck am ersten Arbeitsanschluß A einstellt. Dieser Soll-Druck und/oder eine Soll-Geschwindigkeit der Last 3 und damit ein Soll-Volumenstrom werden der Steuereinrichtung 15 über Steuereingänge PS bzw. VS vorgegeben, beispielsweise durch einen Joystick.
Alternativ dazu kann man natürlich auch die Position der ersten Ventileinrichtung 10, genauer gesagt die Position des Schiebers 11, in Abhängigkeit von den in beiden Arbeitsanschlüssen A, B herrschenden Drücken Pa, Pb steuern, wenn die entsprechenden Soll-Drücke vorgegeben worden sind.
Bei negativen Lasten, d.h. wenn die von der Last 3 ausgeübte Kraft in die gleiche Richtung wirkt, wie die Bewegung des Kolbens 5, dann wird der Öffnungsgrad der ersten Ventileinrichtung 10, d.h. die Position des Schiebers 11, in Abhängigkeit von dem gewünschten Druckpegel im zweiten Arbeitsanschluß B und dem gemessenen Druck Pb in dem zweiten Arbeitsanschluß B eingestellt. Alternativ dazu kann die Position des Schiebers in der ersten Steuereinrichtung 10 auch gesteuert werden auf der Basis der gewünschten Druckpegel Pa, Pb in den beiden Arbeitsanschlüssen A, B und den gemessenen Druckpegeln.
In einer alternativen Betriebsweise verwendet man die Steuerung des Zuflusses und die Steuerung des Abflußdrucks, d.h. "meter-in flow control" und "meter-out pressure control". In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Verbrauchers 2 durch die erste Ventileinrichtung 10 gesteuert und der Druckpegel am Verbraucher 2 durch Betätigen der zweiten Steuereinrichtung 18.
In diesem Fall sollte der Drucksensor 9 am Druckanschluß P und der Positionssensor 14 an der ersten Ventileinrichtung 10 verwendet werden. Der Drucksensor 23 und der Bewegungssensor 22 sind in diesem Fall nicht erforderlich.
Die Soll-Position des Schiebers 11 wird ermittelt auf der Basis einer Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck Pp am Druckanschluß P und dem Druck Pa am ersten Arbeitsanschluß A und einem gewünschten Volumenstrom Qr (2). Daraus ergibt sich ein gewünschter Strömungsquerschnitt Ar für die erste Ventileinrichtung 10. Durch einen gegebenenfalls positionsabhängigen Ventilkoeffizienten wird dieser Strömungsquerschnitt über eine Funktion f(Ar) umgerechnet in ein Stellungssignal xr, das einem Additionspunkt 32 zugeführt wird, der Teil eines Reglers 33 ist. Der Additionspunkt 32 ist mit dem Pilotventil 16 verbunden, das auf die erste Ventileinrichtung 10 einwirkt, um die Position des Schiebers 11 zu ändern, wenn die aktuelle Position x des Schiebers 11 nicht mit der vorgegebenen Position xr übereinstimmt. Zusätzliche Elemente eines Reglers, wie Regelverstärker etc., sind aus Gründen der Übersicht hier nicht dargestellt. Im Endeffekt ergibt sich aber eine Situation, wo der Volumenstrom Q durch die erste Ventileinrichtung 10 mit einem vorgegebenen Volumenstrom Qr übereinstimmt. Da dieser Volumenstrom Q gleichzeitig eine Information über die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 5 im Verbraucher 2 enthält, ist es möglich, durch Integration des Volumenstroms Q oder einer davon abhängigen Größe eine relativ genaue Positionsbestimmung des Kolbens 5 im Verbraucher 2 vorzunehmen und damit auch eine Positionsbestimmung der Last 3.
Sowohl bei positiven als auch bei negativen Lasten wird die zweite Ventileinrichtung 18 verwendet, um den Druck am zweiten Arbeitsanschluß B in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Druck zu bringen.
In beiden Betriebsweisen wird lediglich ein Positionssensor 14, 22 benötigt und zwar an der Ventileinrichtung, über die die Druckdifferenz ΔP ermittelt wird.
Zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen A, B ist eine dritte Ventileinrichtung 26 angeordnet, deren Schieber 27 unmittelbar durch einen Magnetantrieb 28 bewegt wird. Die dritte Ventileinrichtung 26 unterbricht in der dargestellten Ruhestellung, die durch eine Feder 29 eingestellt wird, eine Verbindung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen A, B, oder sie verbindet die beiden Arbeitsanschlüsse A, B, wenn der Schieber 27 in seine nicht dargestellte Position umgeschaltet wird.
Diese dritte Ventileinrichtung 26 ist optional, d.h. sie ist nicht zwingend erforderlich. Sie hat aber die nachstehend geschilderten Vorteile.
Es läßt sich zum einen bei einer negativen Last eine regenerative Funktion realisieren. Wenn man beispielsweise die Last 3 absenkt (in 1 von rechts nach links bewegt), dann kann man die aus dem Druckraum 7 abfließende Flüssigkeit wieder dem Druckraum 8 zuführen. Da der Druckraum 8 sich nicht in dem Maße vergrößert, wie sich der Druckraum 7 verkleinert, entsteht ein Überschuß von Flüssigkeit, der über die zweite Ventileinrichtung 18 abgeführt werden muß. Wenn die Verhältnisse umgekehrt sind, d.h. sich bei einer negativen Last der Druckraum 7 schneller vergrößert als der Druckraum 8, dann würde man über die erste Ventileinrichtung 10 entsprechend Flüssigkeit nachführen. Bei einem Verbraucher mit unterschiedlich großen Druckangriffsflächen steuert die Steuereinrichtung 15 also die dritte Ventileinrichtung 26 immer zusammen mit entweder der ersten Ventileinrichtung 10 oder der zweiten Ventileinrichtung 18.
Im ersten Fall, d.h. wenn die Ventileinrichtung 18 angesteuert wird, dann verwendet man zweckmäßigerweise den Positionssensor 22 und den Drucksensor 30 zusammen mit dem Drucksensor 23.
Wenn sich der Druckraum 7 schneller vergrößert, als sich der Druckraum 8 verkleinert, dann wird die erste Ventileinrichtung 10 zusammen mit der dritten Ventileinrichtung 26 betrieben. In diesem Fall würde man den Positionssensor 14, den Drucksensor 30 und den Drucksensor 9 verwenden.
In manchen Anwendungen ist es notwendig, gleichzeitig beide Arbeitsanschlüsse A, B mit dem Tankanschluß T zu verbinden, um druckfreie Arbeitsanschlüsse A, B zu erhalten. Dies ist im vorliegenden Fall relativ einfach, wenn man mit Hilfe der dritten Ventileinrichtung 26 die beiden Arbeitsanschlüsse A, B verbindet und gleichzeitig mit Hilfe der zweiten Ventileinrichtung 18 einen der beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit dem Tankanschluß T verbindet.
Insbesondere bei der Verwendung der Ventilanordnung an einem Traktor oder einem anderen landwirtschaftlichen Gerät kann die Realisierung einer halb-schwimmenden Funktion erforderlich werden. Eine derartige Funktion wird beispielsweise benötigt, wenn der Traktor einen Pflug zieht, der in einer bestimmten Arbeitstiefe arbeiten soll. Wenn ein derartiger Pflug auf einen Stein oder ein anderes Hindernis trifft, dann muß er nach oben angehoben werden können, ohne daß dieser Bewegung ein nennenswerter Widerstand entgegengesetzt werden soll (abgesehen natürlich von den Gewichtskräften). Nach Überwinden des Hindernisses soll der Pflug wieder in seine vorher eingestellte Arbeitstiefe zurückkehren können.
Dies läßt sich im vorliegenden Fall ebenfalls relativ einfach realisieren. Es wird wieder angenommen, daß der Druck am Arbeitsanschluß A dazu dient, die Last 3, die in diesem Fall durch den Pflug realisiert wird, anzuheben. In diesem Fall verwendet man die zweite Ventileinrichtung 18 als Druckbegrenzungsventil. Wenn der Druck Pb am zweiten Arbeitsanschluß B über einen Schwellwert ansteigt, weil der Pflug durch ein Hindernis aus dem Boden herausgedrückt wird, dann wird mit Hilfe der zweiten Ventileinrichtung 18 eine Verbindung zwischen dem zweiten Arbeitsanschluß B und dem Tankanschluß T hergestellt, so daß Flüssigkeit aus dem zweiten Druckraum 8 verdrängt werden kann. Mit Hilfe der ersten Ventileinrichtung 10 wird die durch das Anheben der Last 3 benötigte Flüssigkeitsmenge in den ersten Druckraum 7 nachgeführt. Die Steuereinrichtung 15 ermittelt in diesem Fall den Öffnungsgrad der ersten Ventileinrichtung 10 und die Zeit, in der die erste Ventileinrichtung 10 den Öffnungsgrad eingenommen hat, sowie die Druckdifferenz ΔP über die erste Ventileinrichtung 10. Die Steuereinrichtung 15 ist auf diese Weise in der Lage, die Positionsänderung der Last 3 relativ genau zu ermitteln.
Wenn der Druck Pb am zweiten Arbeitsanschluß B wieder unter den Schwellwert fällt, dann wird der Kolben 5 wieder in die entgegengesetzte Richtung bewegt, um die Last 3 abzusenken. In diesem Fall wird über die erste Ventileinrichtung 10 entsprechend Flüssigkeit vom Druckanschluß P nachgeführt. Über die zweite Ventileinrichtung 18 wird die Flüssigkeit aus dem ersten Druckraum 7 abgelassen. Die Steuereinrichtung 15 muß die erste Ventileinrichtung 10 in diesem Fall praktisch nur spiegelverkehrt betreiben, d.h. den Schieber 11 genau solange in der entgegengesetzten Richtung halten, wie zuvor beim Anheben der Last 3. Eine derartige Betriebsweise läßt sich relativ einfach realisieren. Wenn die gewünschte Position der Last 3 erreicht wird, dann wird die Bewegung gestoppt. Natürlich kann man nach wie vor auch einen Positionssensor verwenden.
Auf diese Weise ist es möglich, daß der Verbraucher 2 eine gewisse Last immer in Position hält, solange keine externen Kräfte die Last 3 anheben.
3 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau einer derartigen Ventilanordnung 1. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen.
In einem Gehäuse 34 sind die Schieber 11 und 19 parallel zueinander angeordnet. Die beiden Arbeitsanschlüsse A, B sind an der gleichen Stirnseite 35 des Gehäuses 34 angeordnet, was die Montage von Anschlußleitungen vereinfacht.
Mit der beschriebenen Ventilanordnung und den dargestellten Betriebsweisen ergeben sich folgende Vorteile:
Die Ventiltopologie basiert auf unabhängig voneinander steuerbaren getrennten Meßblenden, die durch die erste Ventileinrichtung 10 bzw. die zweite Ventileinrichtung 18 realisiert sind. Dadurch lassen sich die Geschwindigkeit, mit der der Verbraucher 2 betrieben wird, und das Druckniveau, unter dem der Verbraucher 2 arbeitet, weitgehend unabhängig voneinander einstellen.
Man benötigt nur einen einzigen Positionssensor bei einfacher Betriebsweise. Nur dann, wenn man die dritte Ventileinrichtung 26 mit den schwimmenden oder halbschwimmenden Betriebsweisen verwendet, kann es sinnvoll sein, auch zwei Positionssensoren zu verwenden.
Mit Hilfe der Ventilanordnung 1 ist es auf einfache Weise möglich, einen halb-schwimmenden Betrieb zu erreichen, d.h. die Last 3 unter der Einwirkung äußerer Kräfte in nur eine Richtung bewegen zu lassen, wohingegen eine Bewegung in eine andere Richtung blockiert ist. Dies ist ansonsten nur mit einfach wirkenden hydraulischen Zylindern möglich, wie sie herkömmlicherweise an Ackerschienen von Traktoren eingesetzt werden. Wenn man dort aber einen doppeltwirkenden Zylinder einsetzt, lassen sich mit Hilfe der Ackerschiene noch andere Funktionen realisieren, beispielsweise das Anheben des Traktors.
Durch die dritte Ventileinrichtung 26 können negative Lasten leicht bewältigt werden, ohne daß zusätzliche Ölmengen vom Pumpenanschluß P zur Verfügung gestellt werden müssen.

Claims

Hydraulische Ventilanordnung mit einer Arbeitsanschlußanordnung (A, B), die einen ersten Arbeitsanschluß und einen zweiten Arbeitsanschluß aufweist, wobei beide Arbeitsanschlüsse mit einem hydraulischen Verbraucher (2) verbindbar sind, einer Versorgungsanschlußanordnung, die einen Druckanschluß (A) und einen Tankanschluß (T) aufweist, einer ersten Ventileinrichtung (10), die den Druckanschluß (P) verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß oder dem zweiten Arbeitsanschluß verbindet, einer zweiten Ventileinrichtung (18), die den Tankanschluß (T) verschließt oder gesteuert mit dem ersten Arbeitsanschluß oder dem zweiten Arbeitsanschluß verbindet, und einer Steuereinrichtung (15), die die erste Ventileinrichtung (10) und die zweite Ventileinrichtung (18) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ventileinrichtung (10, 18) mit einem Öffnungsgradsensor (14, 22) versehen ist, der mit der Steuereinrichtung (15) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (15) die Ventileinrichtung (10, 18) in Abhängigkeit vom Signal des Öffnungsgradsensors (14, 22) und eines Vorgabesignals (PS, VS) steuert, und daß die Steuereinrichtung (15) mit der einen Ventileinrichtung (10, 18) einen Durchfluß durch die Arbeitsanschlußanordnung (A, B) und mit der anderen Ventileinrichtung (18, 10) einen Druck (Pa, Pb) in der Arbeitsanschlußanordnung (A, B) steuert.
Hydraulische Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (10, 18) als Schieberventil ausgebildet ist und der Öffnungsgradsensor (14, 22) als Positionssensor ausgebildet ist, der eine Position eines Schiebers (11, 19) ermittelt.
Hydraulische Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen der Position des Schiebers (11, 19) und dem Öffnungsgrad der Ventileinrichtung (10, 18) berücksichtigt.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) mit mindestens einer Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung (30, 23; 31, 23; 30, 9; 31, 9) verbunden ist, die eine Druckdifferenz über die mit dem Öffnungsgradsensor (14, 22) versehene Ventileinrichtung (10, 18) ermittelt.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Arbeitsanschlüsse (A, B) mit einem Drucksensor (30, 31) versehen sind, der jeweils mit der Steuereinrichtung (15) verbunden ist.
Hydraulische Ventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (30, 31) als Teil der Druckdifferenz-Erfassungseinrichtung (30, 23; 31, 23, 30, 9; 31, 9) ausgebildet sind.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) mit der zweiten Ventileinrichtung (18) den Abfluß aus einem Arbeitsanschluß (A, B) und mit der ersten Ventileinrichtung (10) den Druck bei positiver Last am Verbraucher (2) in dem Arbeitsanschluß (A, B) und bei negativer Last im anderen Arbeitsanschluß (B, A) steuert.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) mit der ersten Ventileinrichtung (10) den Zufluß zu einem Arbeitsanschluß (A, B) und mit der zweiten Ventileinrichtung (18) den Druck im selben Arbeitsanschluß (A, B) steuert.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ventileinrichtung (10, 18) durch ein Pilotventil (16, 24) betätigbar ist.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (A, B) eine dritte Ventileinrichtung (26) angeordnet ist, die eine Verbindung zwischen den Arbeitsanschlüssen (A, B) entweder sperrt oder freigibt.
Hydraulische Ventilanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (2) an beiden Arbeitsanschlüssen (A, B) unterschiedlichen Flüssigkeitsbedarf hat und die Steuereinrichtung (15) eine Koppeleinrichtung aufweist, die die Betätigung der dritten Ventileinrichtung (26) mit einer Betätigung der ersten Ventileinrichtung (10) oder der zweiten Ventileinrichtung (18) verbindet.
Hydraulische Ventilanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwimmstellung einstellbar ist, in der die dritte Ventileinrichtung (26) die beiden Arbeitsanschlüsse (A, B) miteinander verbindet und die zweite Ventileinrichtung (18) einen der beiden Arbeitsanschlüsse (A, B) mit dem Tankanschluß (T) verbindet.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nur drei Drucksensoren (9, 30, 31; 23, 30, 31) vorgesehen sind, von denen zwei den Druck in den Arbeitsanschlüssen (A, B) und einer den Druck entweder am Druckanschluß (P) oder am Tankanschluß (T) ermittelt.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Öffnungsgradsensor (14, 22) vorgesehen ist, der an der ersten Ventileinrichtung (10) oder an der zweiten Ventileinrichtung (18) angeordnet ist.
Hydraulische Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Arbeitanschlüsse (A, B) auf der gleichen Seite (35) eines die Ventilanordnung (1) aufnehmenden Gehäuses (34) angeordnet sind.