DE19705827A1

DE19705827A1 - Hydrauliksysteme

Info

Publication number: DE19705827A1
Application number: DE1997105827
Authority: DE
Inventors: Gifford James Olney
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-15
Publication date: 1997-08-28
Also published as: GB2310462A; GB9603894D0; GB2310462B; FR2745338A1; US5749225A; GB9702336D0; FR2745338B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Hydrauliksysteme weisen oftmals eine einfach wirkende hydraulische Vorrichtung auf, beispielsweise einen Zylinder, die über ein Rückschlagventil mit einer Pumpe verbunden ist. Der Zylinder wird dazu verwendet, eine Kraft aufzubringen, beispielsweise um eine Last anzuheben. Das Rückschlagventil verhindert bei einem Leistungsverlust einen Rückfluß der Hydraulikflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung. Um die Kraft abzuschalten, beispielsweise um die Last abzusenken, muß es möglich sein, daß die Hydraulikflüssigkeit vom Zylinder zurück zu einem Tank fließt. Dies kann erreicht werden durch Öffnen eines Ventils, um der Flüssigkeit zu ermöglichen, bei Umgehung der Pumpe und des Rückschlagventils direkt vom Zylinder zurück zum Tank zu fließen. Das Problem bei solchen Systemen besteht darin, daß elektrisch gesteuerte Solenoidventile relativ teuer sind und daher nicht geeignet sind, bei billigen Anwendungsfällen eingesetzt zu werden. Obwohl von Hand gesteuerte Ventile vergleichsweise billiger sind, müssen sie vom Benutzer getrennt bedient werden, was bei manchen Anwendungsfällen nicht praktisch ist. Eine Alternative, mit welcher Hydraulikflüssigkeit zurück zum Tank strömen kann, ohne daß ein Solenoidventil erforderlich ist, besteht darin, die Flüssigkeit durch die Pumpe zu leiten. Bei einem solchen System kann die Pumpe umgekehrter Richtung betrieben werden, wodurch in einer Vorsteuerleitung ein Druck aufgebaut wird und diese Vorsteuerleitung zu einem vorgesteuerten Rückschlagventil führt, das durch den aufgebauten Druck geöffnet wird und ein Flüssigkeitsfluß vom Zylinder über die Pumpe zum Tank ermöglicht. Das Problem bei einem solchen System besteht darin, daß der Leistungsverbrauch der Pumpe zum Aufbau des vorgenannten Drucks zum Öffnen des vorgesteuerten Rückschlagventils relativ groß ist. Die Leistungsaufnahme zum Absenken einer Last kann in der Tat größer sein als diejenige die zum Anheben der Last benötigt wird. Dies führt zu einem hohen Stromverbrauch und zu einer Erhöhung des Geräuschpegels. Der hohe elektrische Leistungsverbrauch ist insbesondere ein Problem bei batteriebetriebenen Systemen.

Es besteht die Aufgabe, das Hydrauliksystem so auszubilden, daß der Leistungsbedarf der Pumpe wesentlich reduziert wird, wenn die Hydraulikflüssigkeit zum Tank zurückströmen soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Hydrauliksystems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Rückschlagventil.

Die Fig. 1 zeigt ein konventionelles hydraulisches System, das einen einfach wirkenden Hydraulikzylinder 1 umfaßt, der über eine Flüssigkeitsleitung 3 mit einer reversibel arbeitenden Pumpe 2 verbunden ist. In die Leitung 3 ist ein vorgesteuertes Rückschlagventil 4 zwischengeschaltet, welches eine Strömung von der Pumpe 2 zum Zylinder 1 ermöglicht, jedoch verhindert, daß Flüssigkeit vom Zylinder 1 austritt, wenn die Pumpe stillsteht. Beide Seiten der Pumpe 2 sind mit einem Flüssigkeitstank 5 verbunden, wobei zwischen der Pumpe 2 und dem Flüssigkeitstank 5 jeweils ein Rückschlagventil 6 und 7 zwischengeschaltet ist, die es ermöglichen, daß Flüssigkeit vom Tank zu der Seite der Pumpe strömt, die als Einlaß dient. Die Rückschlagventile 6 und 7 isolieren jeweils den Auslaß der Pumpe 2 vom Tank 5. Die linke Seite der Pumpe 2, welche als Einlaß dient, wenn die Pumpe in Vorwärtsrichtung betrieben wird, über eine Vorsteuerleitung 8 mit dem vorgesteuerten Rückschlagventil 4 verbunden. Die linke Seite der Pumpe 2 ist über eine Leitung 9 mit dem Tank 5 verbunden, wobei in der Leitung 9 eine Drossel 10 zwischengeschaltet ist.

Wenn die Pumpe 2 in Vorwärtsrichtung betrieben wird, um den Kolben im Zylinder 1 anzuheben, dann wird vom Tank 5 über das Rückschlagventil 7 Flüssigkeit angesaugt und durch die Pumpe 2 längs der Leitung 3 gefördert, wobei das vorgesteuerte Rückschlagventil 4 öffnet. Wenn die Pump 2 gestoppt wird, dann schließt das vorgesteuerte Ventil 4 und verhindert, daß Flüssigkeit aus dem Zylinder 1 austritt. Um den Kolben im Zylinder 1 abzusenken, wird die Pumpe 2 in entgegengesetzter Richtung betrieben, so daß Flüssigkeit vom Tank 5 über das Rückschlagventil 6 angesaugt wird. Durch die Drossel 10 in der Leitung 9 wird der Druck in dieser Leitung erhöht, so daß Flüssigkeit der Vorsteuerleitung 8 zugeführt wird, wodurch durch den Druck dieser Flüssigkeit das vorgesteuerte Rückschlagventil 4 öffnet. Hierdurch strömt Flüssigkeit durch das vorgesteuerte Rückschlagventil 4 zum rechten Einlaß der Pumpe 2, wobei diese Flüssigkeit durch die Pumpe längs der Leitung 9 durch die Drossel 10 zum Tank 5 gepumpt wird.

Die Drossel 10 muß eine solche Drosselwirkung haben, bei der sichergestellt ist, daß der Druck in der Leitung 8 groß genug ist, um das vorgesteuerte Rückschlagventil 4 zu öffnen, wenn der Zylinder 1 unter maximaler Last steht. Aus diesem Grund stellt die Drossel 10 einen wesentlichen Strömungswiderstand für die vom Zylinder 1 über die Pumpe zum Tank 5 geförderte Flüssigkeit dar. Dieser Widerstand bildet eine wesentliche Belastung für die Pumpe 2, was bedeutet, daß, wenn diese in Gegenrichtung betrieben wird, einen hohen Leistungsbedarf benötigt wird und dementsprechend einen relativ hohen Geräuschpegel entsteht. Der hohe Leistungsbedarf stellt insbesondere ein Problem bei batteriebetriebenen Systemen dar, da hierdurch die Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Aufladungen der Batterien gering ist.

Die Fig. 2 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses System weist ebenfalls einen einfach wirkenden Hydraulikzylinder 11 auf, der beispielsweise zum Anheben eines Arms eines Hebezeugs dient, und eine reversible Pumpe 12, welche über eine Flüssigkeitsleitung 13 mit dem Zylinder verbunden ist. In die Flüssigkeitsleitung 13 ist ein neuartiges vorgesteuertes Rückschlagventil 14, ein Strömungsbegrenzer 15 und ein Filter 16 zwischengeschaltet.

Beide Ein- und Auslässe der Pumpe 12 sind mit dem vorgesteuerten Rückschlagventil 14 verbunden. Die Ein- und Auslässe sind weiterhin über Rückschlagventile 20 und 21 und einer Rückführleitung 22, welche ein Filter 23 enthält, mit dem Tank 18 verbunden. Das Rückschlagventil 20 ist so angeordnet, daß es öffnet, wenn die Pumpe 12 in Vorwärtsrichtung betrieben wird, um Flüssigkeit dem Zylinder zuzuführen, während das andere Rückschlagventil 21 öffnet, wenn die Pumpe in Gegenrichtung betrieben wird.

Ein Flüssigkeitsbypaßleitung 28 verläuft vom vorgesteuerten Rückschlagventil 14 zur Rückführleitung 22, wodurch für die Flüssigkeit eine Rückführstrecke geschaffen ist, wenn die Pumpe 12 in Gegenrichtung betrieben wird.

Das vorgesteuerte Rückschlagventil ist in seinen Einzelheiten in Fig. 3 dargestellt. Das Gehäuse des Ventils 14 besteht aus einem Metallblock 40 mit einer Ausnehmung 41, in welcher die Komponenten des Ventils angeordnet sind und mit vier Bohrungen 42 bis 45, welche Flüssigkeitsdurchlässe zu und von entsprechenden Öffnungen 142, 143, 144 und 145 bilden. Die rechte Seite der Ausnehmung 41 weist einen konischen Ventilsitz 46 mit einer zentrischen Öffnung 56 auf. Ein Ventilelement in Form einer Stahlkugel 47 wird durch eine Wendelfeder 48 nach links gegen den Sitz 46 gedrückt. Die Ausnehmung 41 steht rechts vom Ventilsitz 46 über die Öffnung 142 mit der Bohrung 42 in Verbindung, welche Teil der Zylinderzuflußleitung 13 bildet. Die Bohrung 43 verläuft unmittelbar links vom Ventilsitz 46 über die Öffnung 143 in die Ausnehmung 41 und bildet einen Teil der Flüssigkeitsleitung, welche sich zum Vorwärtsauslaß der Pumpe 12 erstreckt. Durch den Druck in der Öffnung 143 wird daher die Kugel 47 vom Ventilsitz 46 abgehoben, so daß Flüssigkeit von der Pumpe 12 in die Zylinderspeiseleitung 13 zum Zylinder 11 strömen kann. Die Flüssigkeit kann normalerweise nicht in die Gegenrichtung strömen, so daß das Ventilelement 47 und der Sitz 46 als Rückschlagventil wirken.

Innerhalb des linksseitigen Endes der Ausnehmung 41 ist ein verschiebbarer Schütz 49 angeordnet, der an seinem rechten Ende einen axial sich erstreckenden Stift 50 aufweist. Der Schütz 49 weist vier Dichtringe 51 an seinem Umfang auf, welche Gleitdichtungen mit der Innenseite der Ausnehmung 41 bilden. Der Schütz 49 befindet sich normalerweise wegen des an der Öffnung 143 herrschenden Drucks am linksseitigen Ende der Ausnehmung 41. In dieser Stellung befindet sich der Dichtring 51, der dem linksseitigen Ende des Schützes 49 am nächsten ist, genau rechts vor der Öffnung 144, welche über die Bohrung 44 mit dem Rückführauslaß der Pumpe 12 verbunden ist. Eine axiale Bohrung 52 erstreckt sich über die Hälfte der Länge des Schützes 49 und ist zum linken Ende hin offen. Die Bohrung 42 steht über vier radiale Öffnungen 53 mit einer ringförmigen Ausnehmung 54 in Verbindung, welche zwischen den beiden linksseitigen Dichtringen 51 des Schützes 49 angeordnet ist. Die Bohrung 52 steht über zwei kleinere Öffnungen 55 mit einer weiteren ringförmigen Ausnehmung 156 in Verbindung, welche zwischen den beiden mittleren Dichtringen 51 angeordnet ist. In dieser Stellung fluchtet die Ausnehmung 156 mit der Öffnung 145 der Bohrung 45, welche Teil der Flüssigkeitsbypaßleitung 28 ist.

Die Fig. 3 zeigt das vorgesteuerte Rückschlagventil 14 in einer Stellung, wenn die Pumpe 12 in Vorwärtsrichtung betrieben wird, so daß Flüssigkeit von der Öffnung 143 zur Öffnung 142 strömen kann, indem die Kugel 47 vom Sitz 46 wegbewegt ist. Wird die Pumpe 12 stillgesetzt, dann wird die Kugel 47 gegen den Ventilsitz 46 gedrückt, wodurch eine Strömung in der Leitung 13 in entgegengesetzter Richtung verhindert wird. Wenn die Pumpe 12 in Gegenrichtung betrieben wird, um den Kolben im Zylinder 11 abzusenken, dann strömt Flüssigkeit über die Bohrung 44 in das Ventil 14, wodurch der Schütz 49 im vollen Ausmaß nach rechts verschoben wird. Hierdurch treten zwei Effekte auf: der eine Effekt besteht darin, daß der Stift 50 sich voll durch die Öffnung 56 bewegt, wodurch die Kugel 47 von ihrem Sitz 46 abgehoben wird. Der weitere Effekt besteht darin, daß die Ausnehmung 54 des Schützes 49 nunmehr fluchtet mit der Öffnung 145 der Bohrung 45, welche Teil der Bypaßleitung 28 ist. Das Ergebnis besteht darin, daß die Flüssigkeit vom Zylinder 11 längs der Bohrung 42 um die abgehobene Kugel 47 herum in die Bohrung 43 zu strömen vermag, welche zum Einlaß der Pumpe 12 sich erstreckt. Wenn Flüssigkeit vom Auslaß der Pumpe 12 austritt, fließt diese über die Bohrung 44 und die Öffnung 144 in das linke Ende der Ausnehmung 41. Diese Flüssigkeit strömt sodann durch die Bohrung 52 längs des Schützes 49 und tritt über die Öffnungen 53 in die Ausnehmung 54 ein und von dort über die Bohrung 45 in die Bypaßleitung 28. Die Flüssigkeit fließt somit zurück zum Tank 18.

Wenn die Pumpe 12 in umgekehrter Richtung betrieben wird, muß der anfänglich von der Pumpe aufgebrachte Druck ausreichend sein, um den Schütz 49 und die Kugel 47 gegen den Differenzdruck zwischen der Kugel zu verschieben. Sobald jedoch die Kugel 47 vom Sitz 46 abgehoben hat, ist die notwendige Kraft zum Halten dieser geöffneten Stellung geringer, da es lediglich notwendig ist, den Strömungskräften der Flüssigkeit um die Kugel herum zu widerstehen. Der Flußwiderstand in der umgekehrten Richtung durch das vorgesteuerte Rückschlagventil 14 ist relativ gering, da lediglich ein geringer Differenzdruck über den Schütz 49 hinweg erforderlich ist, um diesen in geöffneter Stellung zu halten. Um die Abwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder 1 zu stoppen, wird die Pumpe stillgesetzt, womit der Lastdruck vom Zylinder in der Bohrung 42 größer wird als derjenige in der Bohrung 44, so daß der Schütz 49 ausreichend weit nach links verschoben wird, um der Kugel 47 zu ermöglichen, auf den Ventilsitz 46 aufzutreffen, womit ein Flüssigkeitsdurchfluß durch das Ventil verhindert wird. Die Bohrung 52 und die kleinen Öffnungen 55 im Schütz 49 ermöglichen, daß in der Ausnehmung 41 links vom Schütz 49 angesammelte Flüssigkeit aus der Ausnehmung 41 über die Tankbohrung 45 ausströmen kann, womit sichergestellt ist, daß der Schütz an einer Bewegung nach links nicht gehindert ist.

Die von der Pumpe 12 benötigte Leistung im Umkehrbetrieb kann sehr gering sein verglichen mit dem bekannten System nach Fig. 1. Diese Leistungsreduzierung bringt verschiedene wichtige Vorteile. Bei batteriebetriebenen Systemen ist die Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Aufladungen der Batterien beträchtlich verlängert. Das Risiko eines Blockieren des Systems infolge nicht ausreichender Leistung ist wesentlich vermindert. Die Wärmeverluste des Antriebsmotors der Pumpe werden verringert und damit Betriebsdauer erhöht. Weiterhin wird der Geräuschpegel von Motor und Pumpe vermindert.

Anstelle des beschriebenen Kugelrückschlagventils können auch andere Arten von Rückschlagventilen verwendet werden.

Claims

1. Hydrauliksystem mit einer reversierbar betreibbaren Pumpe, einer hydraulisch betriebenen Vorrichtung, einer ersten Flüssigkeitsleitung zwischen Vorrichtung und Pumpe, einem Tank, einer zweiten Flüssigkeitsleitung zwischen Pumpe und Tank und einer Rückschlagventilvorrichtung mit einem Rückschlagventil in der ersten Flüssigkeitsleitung, die eine Strömung in einer ersten Richtung von der Pumpe zur Vorrichtung ermöglicht, normalerweise jedoch eine Strömung in einer zweiten, dazu entgegengesetzten Richtung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventilvorrichtung (14) weiterhin in die zweite Flüssigkeitsleitung (28, 44, 45) zwischengeschaltet ist und einen Durchlaß (145) aufweist, der eine Strömung in der zweiten Leitung verhindert oder ermöglicht, und daß die Rückschlagventilvorrichtung (14) so betreibbar ist, daß wenn die Pumpe (12) Flüssigkeit in die erste Richtung fördert, das Rückschlagventil (46, 47) öffnet, um einen im wesentlichen ungehinderten Durchfluß längs der ersten Leitung (13, 42, 43) in der ersten Richtung zur Vorrichtung (11) zu ermöglichen und der Durchlaß (145) geschlossen ist, um eine Strömung von der Pumpe zum Tank (18) über die Rückschlagventilvorrichtung zu verhindern und daß, wenn die Pumpe in Gegenrichtung betrieben wird, um eine Strömung durch die erste Flüssigkeitsleitung (13, 42, 43) in entgegengesetzter Richtung zu ermöglichen, der Flüssigkeitsdruck in der zweiten Leitung (28, 44, 45) es ermöglicht, sowohl das Rückschlagventil (46, 47) und den Durchlaß (145) zu öffnen, so daß die Flüssigkeit von der ersten Flüssigkeitsleitung (13, 42, 43) über das Rückschlagventil (46, 47), die Pumpe (12) den offenen Durchlaß (145) und die zweite Flüssigkeitsleitung (28, 44, 45) zum Tank (18) strömt.

2. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil einen Ventilsitz (46) und ein Ventilelement (47) aufweist, das vom Ventilsitz abhebbar ist, daß der Ventilsitz (14) zwischen einer ersten und eine zweiten Öffnung (142, 143) angeordnet ist, derart, daß das Ventilelement (47) eine Strömung von der zweiten Öffnung (143) zur ersten Öffnung (142) ermöglicht und normalerweise eine Strömung in entgegengesetzter Richtung verhindert, daß die Rückschlagventilvorrichtung (14) einen Schütz (49) aufweist, welcher zwischen der zweiten Öffnung (143) und einer dritten Öffnung (144) angeordnet ist, derart, daß wenn der Druck an der dritten Öffnung (144) größer ist als an der zweiten Öffnung (143) der Schütz (49) von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegt wird, bei welcher der Schütz (49) das Ventilelement (47) vom Ventilsitz (46) abhebt, und daß die Ventilvorrichtung (14) eine vierte Öffnung (145) aufweist, welche normalerweise verschlossen ist, wenn der Schütz (49) sich in seiner ersten Stellung befindet, die jedoch geöffnet wird, wenn der Schütz (49) sich in seiner zweiten Stellung befindet und hierbei eine Strömung zwischen der dritten Öffnung (144) und der vierten Öffnung (145) möglich ist.

3. Hydrauliksystem mit einer reversierbar betreibbaren Pumpe, einer hydraulisch betriebenen Vorrichtung, einer ersten Flüssigkeitsleitung zwischen Vorrichtung und Pumpe, einem Tank, einer zweiten Flüssigkeitsleitung zwischen Pumpe und Tank und einer Rückschlagventilvorrichtung mit einem Rückschlagventil in der ersten Flüssigkeitsleitung, das eine Strömung in einer ersten Richtung von der Pumpe zur Vorrichtung ermöglicht, normalerweise jedoch eine Strömung in einer zweiten, dazu entgegengesetzten Richtung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventilvorrichtung (14) weiterhin in die zweite Flüssigkeitsleitung (28, 44, 45) zwischengeschaltet ist und einen Durchlaß (145) aufweist, der eine Strömung in der zweiten Leitung verhindert oder ermöglicht, und daß das Rückschlagventil einen Ventilsitz (46) und ein Ventilelement (47) umfaßt, der Ventilsitz (46) zwischen einer ersten und einer zweiten Öffnung (142, 143) angeordnet ist und das Ventilelement (47) einen im wesentlichen ungehinderten Durchfluß von der zweiten Öffnung (143) zur ersten Öffnung (142) ermöglicht und normalerweise eine Strömung in entgegengesetzter Richtung verhindert, daß die Rückschlagventilvorrichtung (14) einen Schütz (49) aufweist, welcher zwischen der zweiten Öffnung (143) und einer dritten Öffnung (144) angeordnet ist, derart, daß wenn der Druck an der dritten Öffnung (144) größer ist als an der zweiten Öffnung (143) der Schütz (49) von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegt wird, bei welcher der Schütz (49) das Ventilelement (47) vom Ventilsitz (46) abhebt, und daß die Ventilvorrichtung (14) eine vierte Öffnung (145) aufweist, welche normalerweise verschlossen ist, wenn der Schütz (49) sich in seiner ersten Stellung befindet, die jedoch geöffnet wird, wenn der Schütz (49) sich in seiner zweiten Stellung befindet und hierbei eine Strömung zwischen der dritten Öffnung (144) und der vierten Öffnung (145) möglich ist.

4. Hydrauliksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement eine Kugel (47) ist und der Ventilsitz (46) konisch mit einer zentralen Öffnung (56) ausgebildet ist.

5. Hydrauliksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schütz (49) einen Vorsprung (50) aufweist, welcher mit der Öffnung (56) im Ventilsitz (46) fluchtet und in der zweiten Stellung des Schützes (49) der Vorsprung (50) in die Öffnung (56) eingreift und die Kugel (47) vom Ventilsitz (46) abhebt.

6. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulisch betätigte Vorrichtung ein einfach wirkender Hydraulikzylinder (11) ist.