DE19543876A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hydroanlage eines Arbeitsgerätes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hydroanlage eines Arbeitsgerätes

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DE19543876A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines gegen eine Last wirkenden mehrstufigen Hydrozylinder eines Arbeitsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine nach dem Verfahren arbeitende Hydroanlage eines Arbeitsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Hydrozylinder sind in modernen Hydroanlagen neben dem Hy­ dromotor ein unentbehrliches Gerät für die Umformung hy­ draulischer Energie in mechanische Energie. Üblicherweise wird bei einer Hydroanlage eine Hydropumpe durch einen Mo­ tor angetrieben und Hydraulikfluid aus einem Tank angesaugt und durch die Druckleitung der Hydroanlage hin zum Hydrozy­ linder gefördert. Über ein Wegeventil in der Druckleitung zwischen Hydropumpe und Hydrozylinder läßt sich die Bewe­ gungsrichtung des Kolbens im Hydrozylinder steuern. Der mit einer Last beaufschlagte Hydrozylinder stellt für das Hy­ draulikfluid einen Widerstand dar, wobei der Druck im Hy­ drozylinder solange ansteigt, bis die resultierende Kraft ausreicht, um den Kolben entgegen dem Widerstand der Last zu bewegen. Die maximal bewegbare Kraft ist im wesentlichen vorgegeben durch den maximalen Pumpendruck und den wirksa­ men Durchmesser des Hydrozylinders.
Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens des Hydro­ zylinders ist vom maximalen Förderstrom der Hydropumpe ab­ hängig. Für den Fall, daß schnelle Stellbewegungen des Hy­ drozylinders erforderlich sind, muß eine hohe Pumpenlei­ stung zur Verfügung gestellt werden. Um die Pumpenleistung gering zu halten, ist in der Druckleitung ein Hydrospeicher vorgesehen, der von der Pumpe gefüllt wird, wenn während eines Arbeitszyklus der erforderliche Volumenstrom zum Aus­ fahren des Hydrozylinders kleiner als der maximale Pumpen­ volumenstrom ist. Wird in einem Betriebszustand der maxima­ le Volumenstrom zum schnellen Ausfahren des Hydrozylinders benötigt, so kann die Differenz zum Volumenstrom der Pumpe aus dem Hydrospeicher entnommen werden. Der Einsatz dieser Hydrospeicher erlaubt somit eine Verringerung der maximalen Pumpenleistung. Beim Einfahren des Hydrozylinders wird das dabei verdrängte Hydraulikfluid wieder zurück in den Tank geführt, wobei es aufgrund der Drosselung des rückströmen­ den Hydraulikfluids zu Erwärmungen kommt. Die in dem rück­ strömenden Hydraulikfluid gespeicherte Energie geht prak­ tisch ungenutzt verloren. Da man bei modernen Hydraulikan­ lagen stets bemüht ist, den Energieaufwand weitestgehend zu minimieren, wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Hydraulikpumpe derart ausgelegt ist, daß sie beim Einfahren des Hydrozylinders als Motor wirkt, der durch das rückströ­ mende Hydraulikfluid angetrieben wird. Über diesen Hydromo­ tor kann beispielsweise ein Generator angetrieben werden, so daß ein Teil der im rückströmenden Hydraulikfluid ge­ speicherten Energie in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird. Des weiteren wird einer unerwünschten Er­ wärmung des Hydraulikfluids vorgebeugt, da dieses nicht ge­ drosselt werden muß.
Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Hydraulikpumpe erfordert diese Lösung jedoch einen erheblichen vorrich­ tungstechnischen Aufwand und somit erhöhte Investitionsko­ sten.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Hydrozylinders und eine Hy­ droanlage eines Arbeitsgerätes zu schaffen, die bei minima­ lem vorrichtungstechnischem Aufwand einen Betrieb des Ar­ beitsgerätes mit minimiertem Energiebedarf erlauben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Hydro­ anlage durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
Durch die Maßnahme, einen Hydrozylinder mit einer Vielzahl von Wirkflächen zu versehen und diese Wirkflächen des Hy­ drozylinders in Abhängigkeit von einem erfaßten Arbeits­ druck in der Druckleitung anzusteuern, läßt sich der Druck in der Druckleitung zum Hydraulikzylinder so einstellen, daß er etwa demjenigen des Hydrospeichers entspricht, so daß zumindest ein Teil des rückströmenden Hydraulikfluids beim Einfahren des Hydrozylinders zum Laden des Hydrospei­ chers verwendet werden kann. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich der Energiebedarf der Hydroanlage gegen­ über herkömmlichen Lösungen verringern, wobei lediglich ein minimaler vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist, da die Ansteuerung der Wegeventile über vergleichsweise ko­ stengünstige hydraulische oder elektrische Steuergeräte er­ folgen kann.
Eine optimale Energieersparnis erreicht man, wenn der Ar­ beitsdruck in der Druckleitung gemäß den Vorgaben des Un­ teranspruchs 2 gewählt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hydrozylinder drei Wirkflächen hat, von denen zwei Wirkflächen in Ausfahrrich­ tung und eine Wirkfläche in Einfahrrichtung des Hydrozylin­ ders oder, genauer gesagt, des Kolbens des Hydrozylinders wirken, wobei jeder Wirkfläche ein elektrisch oder hydrau­ lisch betätigbares 3/2-Wegeventil zugeordnet ist. Durch ge­ eignete Ansteuerung der Wegeventile lassen sich die drei Wirkflächen beliebig kombinieren, so daß fünf Druckstufen einstellbar sind.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wirkflächen­ verhältnisse gemäß den Vorgaben des Unteranspruchs 5 ge­ wählt werden, so daß sich fünf gleichmäßig beabstandete Druckstufen einstellen lassen.
Einen besonders einfachen und kompakten Aufbau des Hydrozy­ linders erhält man, wenn dieser mit einem tassenförmigen Differentialkolben ausgeführt ist, wobei die an der Kolben­ rückseite ausgebildete Wirkfläche und die durch eine Sack­ lochbohrung des Differentialkolbens ausgebildete Wirkfläche in Ausfahrrichtung wirken, während die Ringfläche des Dif­ ferentialkolbens in Einfahrrichtung wirkt.
Vorteilhafterweise wird in der Druckleitung ein Drucksensor vorgesehen, der das Eingangssignal für das vorzugsweise elektrisch oder hydraulisch wirkende Steuergerät bildet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­ genstand der sonstigen Unteransprüche.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt ein Schaltschema eines Zylinderantriebs für ein Hubwerk.
Dabei kann es sich beispielsweise um das Hubwerk eines Ga­ belstaplers oder eines ähnlichen Arbeitsgerätes handeln. Das dargestellte Hubwerk hat einen Hubzylinder 1, dessen Kolben 2 mit einer Last F beaufschlagt ist, die durch Aus- oder Einfahren des Kolbens 2 bewegbar ist. Der Kolben 2 ist in Differentialbauweise ausgebildet und hat eine Sackloch-Innenbohrung 4, die in der Kolbenrückseite, im folgenden Kolbenfläche 6 genannt mündet.
Der Kolben 2 ist in einem Zylindermantel 8 geführt, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Mittelsäule 10 ausgebildet ist, die sich koaxial durch den Innenraum des Zylindermantels 8 erstreckt und die in die Innenbohrung 4 des Kolbens 2 eintaucht.
Wie aus der Figur hervorgeht, ist der vom Zylindermantel 8 umgebene Zylinderraum durch die Mittelsäule 10 als Ringraum ausgebildet, in dem der Kolben 2 geführt ist.
Der radial erweiterte Bundabschnitt 12 des Kolbens 2 ist an den Innenflächen des Zylindermantels 8 geführt und über Dichtungen 14 abgedichtet. Der kolbenstangenseitige Teil 16 des Kolbens 2 hat gemäß der Figur einen tassenförmigen Querschnitt und durchsetzt mit seinen Mantelflächen eine ringförmige Durchgangsausnehmung 18, die in der kolbenstan­ genseitigen Stirnfläche des Zylindermantels 8 ausgebildet ist. In der Durchgangsausnehmung 18 sind wiederum Dich­ tungseinrichtungen 14 zur Abdichtung der Zylinderraumstirn­ fläche vorgesehen.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung des Kolbens 2 werden drei Zylinderräume 20, 22 und 24 gebildet. Der erste Zylinderraum 20 ist in Radialrichtung durch den Zylinder­ mantel 8 und die Mittelsäule 10 und in Axialrichtung durch die untere Innenstirnfläche des Zylindermantels 8 und durch die Kolbenfläche 6 begrenzt. Der zweite Zylinderraum 22 ist durch den stirnseitigen Abschnitt der Innenbohrung 4 und die Stirnfläche der Mittelsäule 10 gebildet. Der dritte Zy­ linderraum 24 ist einerseits durch die Ringfläche 26 des Bundabschnitts 12 des Kolbens 2 und andererseits durch die Innenfläche der oberen (Darstellung gemäß Figur) Stirnflä­ che des Zylindermantels 8 und andererseits durch den Außen­ umfang des kolbenstangenseitigen, radial zurückgestuften Abschnitts 16 des Kolbens 2 und durch die Innenumfangsflä­ che des Zylindermantels 8 begrenzt. Die wirksamen Flächen der Zylinderräume sind somit durch die Fläche A1 der Kol­ benfläche 6, die Fläche A2 der Ringfläche 26 und die Stirn­ fläche A3 der Innenbohrung 4 gebildet.
Am Zylindermantel 8 sind zwei Anschlüsse 28 und 30 ausge­ bildet, die in den Zylinderraum 20 bzw. 24 münden. Die Mit­ telsäule 10 des Zylindermantels 8 ist von einer axialen An­ schlußbohrung 32 durchsetzt, die im zweiten Zylinderraum 22 mündet.
Die Anschlüsse 28, 30 und die Anschlußbohrung 32 sind mit Arbeitsleitungen 34, 36, 38 verbunden, über die Hydraulik­ fluid den jeweiligen Zylinderräumen 20, 24 und 22 zuführbar ist. Die Arbeitsleitungen 34, 36, 38 sind zu drei im we­ sentlichen gleich aufgebauten 3/2-Wegeventilen 40a, b, c ge­ führt, die über eine Feder in eine Grundstellung (nicht ge­ zeigt) vorgespannt sind. In dieser Schaltstellung ist ein Arbeitsanschluß A mit einem Druckanschluß T jedes Wegeven­ tils 40a, b, c verbunden.
Die Druckanschlüsse P der drei Wegeventile 40a, b, c sind über Verbindungsleitungen zu einer gemeinsamen Druckleitung 42 geführt, die mit einem Anschluß D eines Proportionalven­ tils 44 verbunden ist. In der gezeigten Endstellung des Proportionalventils 44 ist der Anschluß D mit einem Pumpen­ anschluß P′ verbunden, während ein Tankanschluß T abge­ sperrt ist. In der anderen Endstellung des Proportionalven­ tils 44 ist der Anschluß D mit einem Tank T verbunden.
Zum Pumpenanschluß P′ des Proportionalventils 44 ist eine Pumpenleitung 46 geführt, die mit einer Verstellpumpe 48 verbunden ist. Von der Pumpenleitung 46 zweigt eine Zweig­ leitung zu einem Hydrospeicher 50 ab, der beispielsweise als Blasenspeicher ausgebildet sein kann.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wegeventile 40a, b, c als elektrisch betätigbare Magnetventile ausgebil­ det, so daß bei Erregung des jeweiligen Elektromagnets 41 das Wegeventil 40 aus der Grundstellung in die gezeigte Schaltstellung gebracht wird, in der der jeweilige Anschluß B mit einem Tankanschluß T verbunden ist.
Die Ansteuerung der Elektromagneten 41 der Wegeventile 40a, b, c erfolgt über ein Steuergerät 52, über das die Wege­ ventile 40a, b, c wahlweise ansteuerbar sind. Als Eingangssi­ gnal für das Steuergerät 52 wird beim gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel das Signal eines Drucksensors 54 verwendet, der den Druck in der Druckleitung 42 erfaßt und ein Signal an das Steuergerät 52 abgibt.
Gemäß der vorliegenden Verschaltung läßt sich in der ge­ zeigten Ausgangsposition (Elektromagnete 41 nicht erregt, Proportionalventil 44 verbindet P′-D) Hydraulikfluid von der Pumpe 48 oder aus dem Hydrospeicher 50 über das Propor­ tionalventil 44 und die Wegeventile 40 in die Zylinderräume 20, 22 und 24 einleiten, so daß - bei geeignetem System­ druck - aufgrund des auf die Flächen A1 und A3 wirkenden Kräfte die Last F gegen die auf die Ringfläche 26 (A2) wir­ kende Kraft nach oben verschiebbar ist.
Die Flächen der Wirkflächen A1, A2 und A3 sind beim gezeig­ ten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß:
A1 = 4 × A3
A1 = 2 × A2
und somit
A2 = 2 × A3.
Durch entsprechende Ansteuerung der Wegeventile 40 lassen sich fünf Druckstufen einstellen. Bei dem in der Figur dar­ gestellten Schaltzustand wird die der Last F entgegenwir­ kende Gesamtwirkfläche durch die Flächendifferenz
A1 + A3-A2
bestimmt. Die weiteren Schaltvarianten lassen sich der Ta­ belle 1 entnehmen, wobei mit dem Begriff "EIN" und "AUS" der Zustand gekennzeichnet ist, bei dem der jeweilige Elek­ tromagnet erregt ist (EIN) (siehe Figur) oder abgeschaltet (AUS) ist.
Tabelle 1
Das heißt, durch entsprechende Ansteuerung der Wegeventile 40a, b, c lassen sich fünf Wirkflächen vorwählen, die das 1 bis 5-fache der kleinsten Fläche, d. h. der Stirnfläche A3 der Innenbohrung 4 betragen.
Die Ansteuerung der Wegeventile 40a, b, c erfolgt derart, daß sich ein Druck - wie im folgenden noch näher ausgeführt wird - in der Druckleitung 42 einstellt, der etwa gleich dem Systemdruck im Hydrospeicher 50 ist. Dazu wird im Steu­ ergerät eine Sollwerttafel abgespeichert, gemäß der der Druck in der Druckleitung 42 beim Ausfahren des Kolbens 2 etwa um die Regeldruckdifferenz am Proportionalventil 44 geringer als der Druck im Hydrospeicher 50 und beim Einfah­ ren des Kolbens 2 etwa um die Regeldruckdifferenz am Pro­ portionalventil 44 größer als der Systemdruck im Hydrospei­ cher 50 ist. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß bei der Verdrängung von Hydraulikfluid aus den Zylinderräu­ men des Hubzylinders 1 dieses zurück in den Hydrospeicher 50 führbar ist und nicht "ungenutzt" in den Tank entspannt werden muß. Auf diese Weise läßt sich der Energieverbrauch der Anlage gegenüber herkömmlichen Lösungen ganz erheblich minimieren, wobei lediglich ein minimaler vorrichtungstech­ nische Aufwand erforderlich ist.
Zum besseren Verständnis soll im folgenden kurz die Ar­ beitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wer­ den.
Beim Anheben einer unbekannten Last F wird zunächst die Schaltstellung 5 vorgewählt, in der die maximale wirksame Fläche A1 + A3 voreingestellt ist, indem die Elektromagnete der Wegeventile 40a und 40b erregt werden und somit der dritte Zylinderraum 24 nicht mit Hydraulikfluid versorgt wird. Des weiteren wird das Proportionalventil 44 in eine Stellung gebracht, in der die Anschlüsse D und P′ miteinan­ der verbunden sind, so daß Hydraulikfluid von der Pumpe 48 oder aus dem Hydrospeicher 50 in die Zylinderräume 20 und 22 eingeführt wird, so daß der Druck in diesen Räumen an­ steigt, bis die Last F angehoben wird. Unmittelbar nach dem Anheben der Last F wird der Druck in der Druckleitung 42 durch den Drucksensor 54 erfaßt und als Eingangssignal an das Steuergerät 52 weitergeleitet. In diesem erfolgt ein Vergleich des Ist-Drucks in der Druckleitung 42 mit einem vorgegebenen Soll-Wert, der in Abhängigkeit vom voreinge­ stellten Systemdruck (Speicherdruck) vorgegeben ist. In Ab­ hängigkeit von dem Vergleichsergebnis werden dann die Wege­ ventile 40a, b, c derart angesteuert, daß sich in der Druck­ leitung 42 durch geeignete Wahl der Wirkflächen (A1 bis A3) ein Druckniveau einstellt, das etwa um die Regeldruckdiffe­ renz niedriger ist, als der Systemdruck im Druckspeicher 50 (Anheben). Zum Absenken der Last F wird der Sollwert derart abgeändert, daß der sich einstellende Druck in der Druck­ leitung 42 um die Regeldruckdifferenz größer ist, als der Druck im Hydrospeicher 50.
Das erfindungsgemäße Steuergerät 52 erlaubt auch das Aus­ gleichen von kurzzeitigen Schwankungen in der Einfahr- und Ausfahrbewegung, wobei gemäß der voreingestellten Soll-Werttafel durch Umschalten der Wegeventile 40a, b, c auf eventuelle Druckschwankungen in der Druckleitung 42 und so­ mit in den Zylinderräumen 20, 22 und 24 reagiert werden kann, ohne daß Hydraulikfluid in erheblichem Maße von der Pumpe 48 nachgefördert werden muß.
Zum endgültigen Absenken des Kolbens 2 wird durch entspre­ chende Schaltung der Ventile 40a, b, c in der Leitung 42 ein Druck eingestellt, der um die Regeldruckdifferenz im Ventil 44 (PD-Pp′) höher ist als der Druck im Hydrospeicher 50. Durch Drosselung im Ventil 44 wird der Kolben 2 definiert abgesenkt, wobei Hydraulikmedium von D nach P′ in den Spei­ cher 50 fließt. Die Schaltstellung des Ventils 44 ist zur Entlastung der Zylinderräume 20, 22 und 24 nötig.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät als elektrisch wirkende Einrichtung ausgebildet, selbstver­ ständlich kann das Steuergerät auch hydraulisch wirkend ausgeführt werden, wobei auch die Wegeventile 40 hydrau­ lisch ansteuerbar ausgestaltet werden können. Des weiteren sind auch andere Ausgestaltungen des Hubzylinders 1 oder der gezeigten Ventile vorstellbar, ohne das erfindungsgemä­ ße Grundprinzip zu verlassen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines gegen eine Last wirken­ den mehrstufigen Hydrozylinders (1) eines Arbeitsgerä­ tes, der zumindest zwei wahlweise zuschaltbare Wirkflä­ chen (A1, A2, A3) hat und der über eine Hydraulikpumpe (48), einen Hydrospeicher (50) und ein Regelventil (44) mit Hydraulikfluid versorgt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Erfassen des Arbeitsdrucks in einer Druckleitung (42) zum Hydrozylinder (1);
  • - Ansteuerung der Wirkflächen (A1-A3) des Hydrozylin­ ders (1) in Abhängigkeit vom erfaßten Arbeitsdruck derart, daß der sich einstellende Arbeitsdruck ei­ nem Solldruck entspricht, der eine Rückführung des Hydraulikfluids vom Hydrozylinder (1) zum Hydro­ speicher (50) erlaubt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Hydroanlage ein Hubwerk eines Arbeitsgeräts, vorzugsweise eines Ga­ belstaplers ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll­ druck beim Ausfahren des Hydrozylinders (1) etwa dem Speicherdruck minus der Regeldruckdifferenz am Regel­ ventil (44) und beim Einfahren etwa dem Speicherdruck plus der Regeldruckdifferenz am Regelventil (44) ent­ spricht.
3. Hydroanlage eines Arbeitsgerätes, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Patentan­ sprüche 1 oder 2, mit einem Hydrozylinder (1), der zum Ausfahren, Halten oder Einfahren eines Kolbens (2) über ein Regelventil (44) aus einem Hydrospeicher (50) und/oder einer Hydropumpe (48) mit Hydraulikfluid ver­ sorgbar ist, wobei der Hydrozylinder (1) mehrere Wirk­ flächen (A1-A3) hat, die zum Verstellen des Hydrozylin­ ders (1) wahlweise ansteuerbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wirkfläche (A1-A3) jeweils ein Ventil (40a, b, c) zugeordnet ist, und daß ein Steuergerät (52) vorgesehen ist, über das die Ven­ tile (40a, b, c) in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck in der Druckleitung (42) zum Hydrozylinder (1) ansteuerbar sind.
4. Hydroanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hydrozylinder (1) drei Wirkflächen (A1-A3) hat, von denen eine erste und eine dritte Wirkfläche (A1, A3) in Ausfahr- und eine zweite Wirkfläche (A2) in Einfahrrichtung wirken, wobei jedem eine Wirkfläche (A1-A3) bildenden Zylinderraum (20, 22, 24) ein 3/2-We­ geventil (40a, b, c) zugeordnet ist, über das der jewei­ lige Zylinderraum (20, 22, 24) wahlweise mit der Druck­ leitung (42) oder mit einem Tank (T) verbindbar ist.
5. Hydroanlage nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flächenverhältnisse der ersten, zweiten und dritten Wirkflächen (A1-A3) wie folgt gewählt sind: A1 = 4 A3A1 = 2 A2.
6. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) des Hydrozy­ linders (1) als tassenförmiger Differentialkolben (2) ausgeführt ist und daß die erste Wirkfläche (A1) durch die Kolbenrückseite (6), die dritte Wirkfläche (A3) durch eine innere Stirnfläche einer Sacklochbohrung (4) des Differentialkolbens (2) und die zweite Wirkfläche (A2) durch die Ringfläche (26) der stufenförmigen Er­ weiterung des Differentialkolbens (2) gebildet sind.
7. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (42) ein Drucksensor (54) vorgesehen ist, dessen Signal als Ein­ gangssignal für das Steuergerät (52) verwendet wird.
8. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (52) hydrau­ lisch oder elektrisch wirkend ausgebildet ist.
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