DE19600650C2 - Antrieb für einen hydraulischen doppelwirkenden Aktuator - Google Patents
Antrieb für einen hydraulischen doppelwirkenden AktuatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Antrieb für einen hyd
raulischen doppelwirkenden Aktuator, insbesondere
für eine Kolbenanordnung gemäß Oberbegriff des An
spruchs 1.
Es ist bekannt, hydraulische doppelwirkende Aktua
toren mit Hilfe von hydraulischen Pumpen mit Hyd
raulikflüssigkeit zu versorgen (DE 40 08 792 A1).
Zur Realisierung von Zwei- oder Vier-Quadranten-
Antrieben werden Drosselventile, die beispielsweise
als Servo- oder Proportionalventile ausgelegt sind,
eingesetzt, die dazu dienen, den Aktuator in beide
Richtungen anzutreiben. Derartige Drosselventile
führen zu nicht unerheblichen Verlusten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb
der obengenannten Art zu schaffen, der diesen Nach
teil nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Antriebs gelöst,
der die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Dadurch, daß eine zweite Pumpe vorgesehen ist, die
- wie die erste Pumpe - den Aktuator mit Hydraulikme
dium versorgt und dadurch, daß den Pumpen zur Abga
be variabler Fördermengen eine variable An
triebseinrichtung zugeordnet ist, kann bei der Rea
lisierung eines Zwei- oder Vier-Quadranten-
Betriebes auf Drosselventile verzichtet werden, so
daß die bei dem Antrieb des Aktuators bislang an
fallenden Verluste wesentlich vermindert werden.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Antriebs,
die sich dadurch auszeichnet, daß wenigstens eine
der Pumpen ein konstantes Verdrängungsvolumen auf
weist. Derartige Pumpen sind besonders einfach auf
gebaut, so daß sich eine kostengünstige und stö
rungsunanfällige Realisierung ergibt.
Weiterhin wird eine Ausführungsform des Antriebs
bevorzugt, die eine mit der Antriebseinrichtung zu
sammenwirkende Ansteuerung aufweist, die als Regel
schaltung ausgebildet ist und einen Sensor umfaßt,
der Lage, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung
des Aktuators und/oder den auf den Aktuator wirken
den Druck oder die von dem Aktuator ausgeübten
Kräfte erfaßt. Auf diese Weise ist es möglich, den
Antrieb sehr variabel an die tatsächlichen Gegeben
heiten anzupassen.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übri
gen Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich
nung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein
Prinzipschaltbild des Antriebs.
Im folgenden wird davon ausgegangen, daß der An
trieb mit einer doppelwirkenden Kolbenanordnung zu
sammenwirkt. Er ist jedoch allgemein mit beliebigen
hydraulischen Aktuatoren kombinierbar, beispiels
weise auch mit hydraulischen Motoren oder Getriebe
anordnungen.
Die Figur zeigt einen als hydraulisch doppelwir
kende Kolbenanordnung ausgebildeten Aktuator 1, der
einen in einem Zylinder 3 beweglichen Kolben 5 auf
weist, an dem eine Kolbenstange 7 angebracht ist.
Der Kolben 5 und die Kolbenstange 7 sind so in den
Zylinder 3 eingesetzt, daß zwei Druckkammern 9 und
11 ausgebildet werden.
Die erste Druckkammer 9 ist über eine Zuleitung 13
mit einer Pumpe 15 verbunden, der eine Antriebsein
richtung 17 zugeordnet ist. Diese umfaßt hier einen
Elektromotor 19, der über eine hier nur angedeutete
Welle 21 mit der ersten Pumpe 15 verbunden ist. Die
erste Pumpe 15 ist über eine Versorgungsleitung 23
mit einem Tank 25 verbunden. Parallel zur Pumpe 15
ist ein Ventil 27 vorgesehen, das einerseits mit
der Zuleitung 13 und andererseits mit der Ver
sorgungsleitung 23 verbunden ist. Das Ventil 27 ist
hier als Rückschlagventil ausgebildet, das so ange
ordnet ist, daß bei einem Unterdruck in der Zulei
tung 13 das im Tank 25 vorhandene Hydraulikmedium
nachgesaugt werden kann, auch wenn die erste Pumpe
15 nicht angetrieben sein sollte.
An die Zuleitung 13 ist ein auch als Entlastungs
ventil bezeichnetes Überdruckventil 29 angeschlos
sen, das über eine Rückführungsleitung 31 mit dem
Tank 25 verbunden ist. Der zweiten Druckkammer 11
ist ein hier identisch aufgebautes Versorgungssy
stem zugeordnet: Über eine Zuleitung 13' fördert
eine zweite Pumpe 15' ein Hydraulikmedium aus dem
Tank 25. Die zweite Pumpe 15' ist dazu über eine
Versorgungsleitung 23' mit dem Tank 25 verbunden.
Der zweiten Pumpe 15' ist eine Antriebseinrichtung
17' zugeordnet. Es ist möglich, die beiden Pumpen
15 und 15' über einen einzigen Motor, beispiels
weise Elektromotor 19 anzutreiben. Bei dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die An
triebseinrichtung 17' einen zweiten Elektromotor
19', der über eine hier angedeutete Welle 21' die
zweite Pumpe 15' antreibt. Parallel zur zweiten
Pumpe 15' ist hier wiederum ein Ventil vorgesehen,
das als Rückschlagventil 27' ausgebildet und so an
geordnet ist, daß bei einem Unterdruck in der Zu
leitung 13' Hydraulikmedium über die Versor
gungsleitung 23' aus dem Tank 25 nachgesaugt werden
kann. Die Zuleitung 13' ist über ein überdruckven
til 29' mit der Rückführungsleitung 31 verbunden,
die zum Tank 25 führt.
Das dem Aktuator 1 zugeordnete Hydrauliksystem kann
mit einem Kühler 33 ausgebildet sein, der hier in
die Versorgungsleitung 23 zur ersten Pumpe 15 inte
griert ist. Es ist auch möglich, diesen Kühler 33
an beliebiger Stelle des Hydrauliksystems einzu
bauen. Denkbar ist es schließlich auch, eine oder
mehrere der Versorgungsleitungen mit Kühlrippen zu
versehen, um überschüssige Wärme abzuführen.
Wenn über die erste Pumpe 15 Hydraulikmedium aus
dem Tank 25 in die erste Druckkammer 9 gefördert
wird, bewegt sich der Kolben 5 innerhalb des Zylin
ders 3 nach rechts. Dadurch wird auch die Kolben
stange 7 nach rechts bewegt. Durch die Bewegung des
Kolbens 5 steigt der Druck in der zweiten Druckkam
mer 11 an. Dadurch wird das sich in der Druckkammer
11 befindliche Hydraulikmedium über die Zuleitung
13' zur zweiten Pumpe 15' zurückgedrückt. Die
zweite Pumpe 15' wird nun als Motor betrieben, der
den angekoppelten Elektromotor 19' antreibt. Dieser
arbeitet jetzt als Generator und wandelt die An
triebsenergie in elektrische Energie um und speist
sie in das elektrische System des Antriebs zurück,
wo sie für die Speisung des ersten Elektromotors 19
wiederverwendet werden kann. Je nach Bewegungsrich
tung des Kolbens 5 arbeitet eine der Pumpen 15, 15'
als Motor und der zugehörige Elektromotor 19, 19'
als Generator, was im Zwei- oder Vier-Quadranten-
Betrieb den Wirkungsgrad des Antriebs wesentlich
verbessert.
Eine entgegengesetzte Bewegung des Kolbens 5 und
der Kolbenstange 7 tritt dann ein, wenn die zweite
Druckkammer 11 von der zweiten Pumpe 15' mit einem
Hydraulikmedium beziehungsweise Hydrauliköl beauf
schlagt wird. Die Hin- und Herbewegung der Kolben
stange 7 ist in der Figur durch einen Doppelpfeil
angedeutet.
Der in der Figur dargestellte Antrieb für den Aktu
ator 1 weist außerdem eine Ansteuerung 35 auf, die
über Steuerleitungen 37 und 37' mit den Elektromo
toren 19 und 19' verbunden ist.
Dem Aktuator 1 ist mindestens ein Sensor 39 zuge
ordnet, dessen Ausgangssignale über eine Signallei
tung 41 einer Auswertungsschaltung 43 zugeführt
werden, die gemeinsam mit der Ansteuerung 35 eine
Regelschaltung 45 bildet. Der Auswertungsschaltung
43 kann über eine Leitung 47 mindestens ein exter
nes Signal zugeführt werden, über das der Antrieb
für den Aktuator 1 beeinflußbar ist.
Der Sensor 39, der einen Analog/Digital-Wandler um
fassen kann, ist in der Lage, verschiedenste physi
kalische Größen des Aktuators 1 zu erfassen, bei
spielsweise dessen Lage, die Geschwindigkeit
und/oder Beschleunigung des Kolbens 5 beziehungs
weise der Kolbenstange 7, den in den Zuleitungen 13
und/oder 13' gegebenen Druck und/oder die von dem
Aktuator 1 ausgeübten Kräfte. Denkbar ist es auch,
daß physikalische Größen des Aktuators 1 durch Sen
soren in den Zuleitungen 13 und 13' beziehungsweise
in der Ansteuerung 35 und/oder der Auswertungs
schaltung 43 oder den Elektromotoren 19 und 19' in
direkt erfaßt werden. Es können auch ein oder meh
rere Sensoren, beispielsweise Strom- oder Drehzahl
sensoren, in der Ansteuerung 35 oder den Elektromo
toren 19 und 19' integriert sein. Dadurch kann ge
gebenenfalls der externe Sensor 39 weggelassen und
eine modulare Bauweise des Antriebs realisiert wer
den.
Die Figur läßt erkennen, daß insgesamt ein Antrieb
für einen Aktuator 1 realisierbar ist, der einen
Zwei- oder Vier-Quadranten-Betrieb zuläßt. Dies ist
sowohl dann möglich, wenn die Ansteuerung 35 als
Steuerschaltung realisiert ist oder wenn diese, wie
in der Figur dargestellt, als Regelschaltung ausge
bildet ist, beispielsweise als Ein-Schleifen-Regel
kreis. Die Regelschaltung kann kontinuierliche Reg
ler, beispielsweise PID und/oder Zustandsregler
mit/ohne Beobachter oder diskontinuierliche Regler
umfassen. Sie kann auch derart aufgebaut sein, daß
eine oder mehrere der physikalischen Größen paral
lel oder sequentiell geregelt werden. Um bleibende
Regelfehler der Regelschaltung beziehungsweise des
Regelkreises auszuschließen, werden vorzugsweise
Regler mit integrierenden Anteilen eingesetzt, das
heißt, Regler mit I-, PI- oder PID-Verhalten. Die
Regelschaltung ist mittels Analog- oder Digital
technik oder einer Kombination aus Analog- und Di
gitaltechnik realisierbar.
In der Figur sind die Pumpen 15 und 15' als Kon
stantpumpen ausgelegt, das heißt, sie weisen ein
konstantes Verdrängungsvolumen auf. Denkbar ist es
auch, eine oder beide der Pumpen als Verstellpumpen
auszubilden, wobei ein oder zwei Verdrängungsräume
realisiert werden können. Wesentlich ist, daß auch
ein Vier-Quadranten-Antrieb realisierbar ist, ohne
irgendwelche Drosselventile in die Zuleitungen 13
und 13' einzubauen. Der Antrieb für den Aktuator 1
arbeitet daher besonders verlustarm. Aus dem Oben
gesagten wird auch deutlich, daß der Antrieb sehr
einfach und damit kostengünstig realisierbar ist,
weil auch für einen Vier-Quadranten-Antrieb ledig
lich Pumpen mit einem konstanten Verdrängungsvolu
men erforderlich sind, also relativ preiswert re
alisierbare Pumpen. Es bedarf lediglich eines An
triebs für die Pumpen, der variable Fördermengen
ermöglicht. Dies ist bereits mit Hilfe eines einzi
gen Elektromotors möglich, der eine variable Dreh
zahl aufweist und der über die Ansteuerung 35 ange
steuert wird. Der Antrieb für den Aktuator 1 kann
also gegenüber der Darstellung in der Figur noch
weiter vereinfacht werden, wobei dennoch ein Vier-
Quadranten-Antrieb realisierbar ist.
Der hier dargestellte Antrieb erfüllt auch hohe Si
cherheitsanforderungen, weil einerseits Überdruck
ventile 29, 29' und andererseits als Nachsaugven
tile ausgebildete Ventile 27, 27' vorgesehen sind.
Die Ventile 27, 27', 29 und 29' haben ausschließ
lich eine Sicherheitsfunktion und werden für den
normalen Betrieb des Antriebs nicht benötigt, das
heißt, sie sind inaktiv.
Ein besonders einfacher Aufbau kann dadurch er
reicht werden, daß die Elektromotoren 19 und 19'
mit den zugehörigen Pumpen 15 und 15' als eine Ein
heit ausgebildet werden können. Die Fördermenge der
Pumpen wird durch eine Anpassung der Motorgeschwin
digkeit beziehungsweise der Drehzahl erreicht, was
mit Hilfe der Ansteuerung 35 möglich ist. Diese
kann zusätzlich in die aus Motor und Pumpe beste
hende Einheit integriert werden, so daß sich ein
besonders kompakter Aufbau ergibt. Da der Aktuator
zwischen den beiden Pumpen 15 und 15' eingespannt
ist, ergibt sich eine hohe Steifigkeit.
Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die Flä
chen des Kolbens 5, die mit dem in den Druckkammern
9 und 11 herrschenden Druck beaufschlagt werden,
verschieden groß sind. Im Bereich der ersten Druck
kammer 9 ergibt sich aufgrund der Kolbenstange 7
eine Ringfläche, die kleiner ist als die Quer
schnittsfläche des Kolbens 5, die mit dem in der
zweiten Druckkammer 11 vorhandenen Druck beauf
schlagt wird. Es können sich beispielsweise Größen
verhältnisse beziehungsweise Flächenverhältnisse
von 2 : 1 der mit Druck beaufschlagten Kolbenflächen
ergeben. Um hier einen Ausgleich zu schaffen, kön
nen die Fördervolumina der Pumpen 15 und 15' an
dieses Flächenverhältnis angepaßt werden. Dadurch
können wiederum die Elektromotoren 19 und 19' mit
gleicher Geschwindigkeit betrieben werden. Es ist
jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß Pumpen mit
gleichem Fördervolumen eingesetzt werden können,
die mit verschiedenen Antriebsgeschwindigkeiten be
trieben werden.
Durch den Einsatz des Sensors 39 kann der einfache
Antrieb für den Aktuator für eine Lage- und Druck
regelung und/oder für eine Geschwindigkeits- und
Druckregelung ausgelegt werden.
Wenn für mindestens eine der Pumpen 15, 15' eine
Verstellpumpe eingesetzt wird, kann der Antrieb für
den Aktuator zusätzlich, neben der drehzahlabhängi
gen Fördermengenregulierung durch die Elektromoto
ren 19 beziehungsweise 19', auch noch dadurch ge
steuert werden, daß das Verdrängungsvolumen der
Pumpen verändert wird. Es zeigt sich also, daß der
Antrieb für den Aktuator 1 auf vielfältige Weise
verändert und an verschiedene Einsatzbereiche ange
paßt werden kann.
Claims (14)
1. Antrieb für einen hydraulischen doppelwirkenden
Aktuator, insbesondere für eine Kolbenanordnung mit
einer den Aktuator mit Hydraulikmedium versorgenden
ersten Pumpe und einer den Aktuator mit Hydraulik
medium versorgenden zweiten Pumpe, die variable
Fördermengen bereitstellen, dadurch gekennzeichnet,
dass den Pumpen (15, 15') zur Realisierung eines
Zwei- oder Vier-Quadranten-Betriebs eine variable
Antriebseinrichtung (17, 17') zugeordnet ist, und
dass die Pumpen (15, 15') auch als Motor betreibbar
sind.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine Pumpe (15, 15') ein konstantes
Verdrängungsvolumen aufweist und/oder wenigstens
eine Pumpe (15, 15') als Verstellpumpe ausgebildet
ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch eine mit der Antriebseinrichtung (17, 17') zu
sammenwirkenden Ansteuerung (35).
4. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß beiden Pumpen (15, 15')
ein separates Antriebssystem (Elektromotor
(19, 19')) zugeordnet ist.
5. Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ansteuerung (35) als Steuerschal
tung ausgelegt ist.
6. Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ansteuerung (35) als Regelschal
tung (45) ausgelegt ist und mindestens einen Sensor
(39) umfaßt.
7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Sensor (39) dem Aktuator (1) zu
geordnet ist.
8. Antrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sensor (39) Lage, Geschwindigkeit
und/oder Beschleunigung des Aktuators (1) und/oder
den auf den Aktuator (1) wirkenden Druck und/oder
die von dem Aktuator (1) ausgeübten Kräfte erfaßt.
9. Antrieb nach einem der
Ansprüche 3 bis 8, durch gekennzeichnet, daß in
der Ansteuerung (35) oder den Elektromotoren
(19, 19') Sensoren, insbesondere Strom- oder Dreh
zahlsensoren, integriert sind.
10. Antrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (45)
kontinuierliche Regler und/oder Zustandsregler
mit/ohne Beobachter oder diskontinuierliche Regler
umfaßt.
11. Antrieb nach einem der
Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelschaltung (45) mittels Analog- und/oder Digi
taltechnik realisierbar ist.
12. Antrieb nach einem oder mehreren der vorherge
henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regel
schaltung (45), mit der eine parallele oder sequen
tielle Regelung von mindestens einer erfaßten phy
sikalischen Größe realisierbar ist.
13. Antrieb nach einem der Ansprü
che 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsein
richtung (17, 17') und die Ansteuerung (35) als Ein
heit ausgebildet sind.
14. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsein
richtung (17, 17') mindestens einen Elektromotor
(19, 19') mit variabler Drehzahl umfaßt.
Priority Applications (11)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19600650A DE19600650C2 (de) | 1996-01-10 | 1996-01-10 | Antrieb für einen hydraulischen doppelwirkenden Aktuator |
US09/101,502 US6205780B1 (en) | 1996-01-10 | 1996-12-21 | Low-loss drive system for a plurality of hydraulic actuators |
DE59610776T DE59610776D1 (de) | 1996-01-10 | 1996-12-21 | Verlustarmer antrieb für mehrere hydraulische aktuatoren |
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