DE19600650C2 - Antrieb für einen hydraulischen doppelwirkenden Aktuator - Google Patents

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.