DE19848310A1 - Einrichtung und Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine - Google Patents

Einrichtung und Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine, einschließlich eines Arbeitsgeräts, beispielsweise einer Ladeschaufel.
AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG
In einer hydraulischen Steuerungseinrichtung für eine Baumaschine, einschließlich eines Arbeitsgeräts, beispielsweise einer Ladeschaufel, wird allgemein zur Verringerung des Druckverlusts eine Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen eingesetzt. In den vergangenen Jahren ist als Antwort auf die Forderung nach Energieeinsparungen eine lastabhängige Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer solchen Hydraulikpumpe eingesetzt worden. In einer lastabhängigen Steuereinrichtung wird ein zu starkes hydraulisches Drehmoment dadurch vermieden, daß von der Hydraulikpumpe je nach der Drehgeschwindigkeit eines Steuerrades eine Ölmenge gefördert wird, die nahezu der einem Steuerzylinder zugeführten Ölmenge entspricht.
Das erste Beispiel des bisherigen Standes der Technik (eine lastabhängige Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe) soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben werden. Das Verdrängungsvolumen V (Fördermenge je Umdrehung) einer von einem Motor 1 angetriebenen Hydraulikpumpe 2 mit veränderlichem Verdrängungsvolumen wird durch eine Verdrängungsvolumensteuereinrichtung 5 gesteuert, zu der ein Servozylinder 3 und ein lastabhängiges Ventil 4 gehören. Ein Steuerzylinder 6 zur Betätigung des Hydrauliksystems einer Baumaschine wird durch ein Stellventil 10 gesteuert, das sich zwischen dem Steuerzylinder 6 und der Hydraulikpumpe 2 befindet. Wird ein Steuerschieber 12 mit einem Steuerrad 11 gedreht, um den Steuerschlitz des mit dem Steuerzylinder 6 in Verbindung stehenden Stellventils 10 zu öffnen, dann wird der Steuerzylinder 6 mit dem von der Hydraulikpumpe 2 über den Steuerschieber 12 und einen elektronisch gesteuerten Motor 13 für den Antrieb des Hydrauliksystems der Baumaschine geförderten Öl beaufschlagt. Wird eine Laufbuchse 14 durch den elektronisch gesteuerten Motor in der gleichen Richtung wie der Steuerschieber 12 gedreht und in die gleiche Position wie der Steuerschieber 12 gebracht, dann wird die Ölzufuhr zum Steuerzylinder 6 unterbrochen.
Wird hierbei das Stellventil 10 betätigt, dann wird der Steuerschlitz größer, wodurch sich der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes verringert. Entsprechend der Verringerung des Differenzdrucks zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes bewegt sich das lastabhängige Ventil 4 durch die Federkraft f in Richtung auf die Position a wodurch die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 größer wird. Entsprechend der Zunahme der Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 nimmt der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes zu, wodurch die Federkraft f des lastabhängigen Ventils 4 ausgeglichen wird. Da der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes bei einer Betätigung des Steuerventils 10 konstantgehalten wird, kann somit die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 entsprechend der Arbeitsgeschwindigkeit des Stellventils 10 erreicht werden.
Der Motor 1 treibt eine Konstantpumpe 9 eines Arbeitsgeräts und eine Startpumpe 19 ähnlich der Hydraulikpumpe 2 an. Die Konstantpumpe 9 betätigt über die Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät die Arbeitszylinder 7 und 8 des Arbeitsgerätes unabhängig von der Hydraulikpumpe 2. Die Startpumpe 19 liefert den Anfangsdruck für die Vorsteuerventile 22 und 23, die einen Vorsteuerdruck zur Betätigung der Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät liefern.
Bei dem zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 3-186600) wird das von einer Hydraulikpumpe geförderte Öl in den Hydraulikkreislauf eines Arbeitsgeräts gebracht, um das Arbeitsgerät zu betätigen. Bei unabhängigem Betrieb eines Hydrauliksystems fördert eine Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen dann eine für die Steuerung erforderliche Ölmenge entsprechend der Drehgeschwindigkeit eines Steuerrades ungeachtet der Drehzahl eines Motors im Bereich bis zur größten Fördermenge der Hydraulikpumpe, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.
Wird gleichzeitig das Arbeitsgerät betätigt, dann erreicht die Fördermenge der Hydraulikpumpe ihren Höchstwert. Die im Verhältnis zur Drehzahl des Motors geförderte Ölmenge wird in einem Stromteilventil vorzugsweise einem Stellventil zugeführt, während das restliche Öl einem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zugeführt wird.
Das erste Beispiel des bisherigen Standes der Technik ist ein lastabhängiges Steuerungssystem, bei dem die Hydraulikpumpe 2 einfach eine Ölmenge entsprechend der Arbeitsstellung des Stellventils 10 ungeachtet der Drehzahl des Motors 1 fördert. Es ist dadurch möglich, im mittleren bis hohen Drehzahlbereich des Motors 1 Energie zu sparen. Jedoch bei einer Baumaschine zum Laden von Erde und Sand, die V-förmige Bewegungen mit Umschaltungen zwischen Vorwärts- und Rückwärtsgang ausführt, wird der Motor 1 nach dem Umschalten vom Vorwärts- in den Rückwärtsgang und umgekehrt auf niedriger Drehzahl gehalten, um die auf das Umschalten zurückzuführende Stoßbelastung abzudämpfen und ein Herausfallen der Ladung aus der Ladeschaufel zu verhindern. Läuft der Motor 1 mit niedriger Drehzahl, dann wird das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe 2 auf den Höchstwert gebracht, um die Ölmenge entsprechend der Arbeitsstellung des Stellventils 10 sicherzustellen. Für die Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen ist im Hinblick darauf, daß die Pumpenförderleistung von der benötigten Ölmenge abhängig ist, wenn der Motor 1 mit einer niedrigen Drehzahl läuft, damit die gleiche Pumpenfördermenge wie für eine Konstantpumpe erforderlich. Der Einsatz der Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen erhöht die Kosten. Darüber hinaus wird als Hydraulikpumpe 9 für ein Arbeitsgerät eine Konstantpumpe hoher Leistung eingesetzt, weil die Hydraulikpumpe 2 die Betätigungsventile 17 und 18 des Arbeitsgeräts nicht mit Öl versorgt. Das hat ebenfalls eine Zunahme der Kosten zur Folge.
Im zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik erreicht das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe seinen Höchstwert, wenn das Arbeitsgerät betätigt wird, und die Hydraulikpumpe erreicht eine hohe Fördermenge im Verhältnis zur Drehzahl des Motors. Da das restliche Öl des für die Hydrauliksteuerung über ein Vorrangstromteilventil dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zugeführt wird und die Fördermenge der Hydraulikpumpe auf effektive Weise bei gleichzeitiger Betätigung des Arbeitsgeräts ausgenutzt werden kann, kann die Gesamtförderleistung der Stellhydraulik- und Betätigungspumpe für das Arbeitsgerät im Vergleich zum ersten Beispiel des bisherigen Standes der Technik verringert werden, so daß die Kosten aller Pumpen gesenkt werden können. Bei einem hohen Öldruck des Arbeitsgeräts besteht ein Problem jedoch darin, daß Druck des Arbeitsgeräts auf die Hydraulikpumpe wirkt und der Druckverlust durch Absenken des Arbeitsgerätedrucks auf den Steuerdruck zunimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine bereitzustellen, bei denen der Druckverlust verringert und die Fördermenge der Hydraulikpumpe auf wirksame Weise auch bei gleichzeitigem Betrieb mit einem Arbeitsgerät genutzt werden kann.
Bei einem Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Ölmenge, die nur entsprechend der Stellgeschwindigkeit benötigt wird, einem Stellantrieb zugeführt werden kann, wird die Fördermenge der Hydraulikpumpe entsprechend der Arbeitsstellung eines Betätigungsventils für ein Arbeitsgerät vergrößert und nur die von der Hydraulikpumpe geförderte Ölmenge, die der Zunahme der Fördermenge entspricht, dem Betätigungsventil des Arbeitsgerätes zugeführt.
So versorgt die Hydraulikpumpe den Stellantrieb nur mit einer Ölmenge, die der Stellgeschwindigkeit entspricht. Wird das Betätigungsventil für das Arbeitsgerät betätigt, dann beaufschlagt die Hydraulikpumpe das Betätigungsventil für das Arbeitsgerät nur mit der Ölmenge, die der Zunahme der Fördermenge je nach der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät entspricht. Die Förderleistung der Hydraulikpumpe kann dadurch bei Bedarf auf das äußerste Mindestmaß reduziert werden.
Da die Fördermenge der Hydraulikpumpe im Vergleich zu der Situation, wenn das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe wie bei dem zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik den Höchstwert erreicht, verringert wird, kann ein nutzloser Hydraulikenergieverbrauch durch Verringern des Drucks von einem Arbeitsgerätedruck auf einen Steuerdruck selbst bei hohem Arbeitsgerätedruck vermieden werden. Außerdem kann eine Kühleinrichtung zum Schutz vor einer Wärmeentwicklung als nutzloser Hydraulikenergieverbrauch klein gehalten werden. Darüber hinaus wird selbst dann, wenn die Förderleistung der Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen genauso groß oder größer als die Förderleistung einer üblichen Konstantpumpe ist, Öl nur in der der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät entsprechenden Menge von der Hydraulikpumpe zugeführt. Die Förderleistung der Hydraulikpumpe des Arbeitsgeräts kann dadurch dementsprechend verringert werden, so daß insgesamt eine beträchtliche Kostensenkung möglich ist.
Eine Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, eine Verdrängungsvolumensteuereinrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens der Hydraulikpumpe, einen Stellantrieb für die Betätigung des Hydrauliksystems der Baumaschine, ein Stellventil zwischen der Hydraulikpumpe und dem Stellantrieb und ein Betätigungsventil zur Betätigung eines Arbeitsgerätestellantriebs für die Betätigung eines Arbeitsgeräts besitzt, wobei die Verdrängungsvolumensteuereinrichtung so gesteuert wird, daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des Stellventils konstantgehalten wird, und folgende Bestandteile umfaßt: ein Vorrangstromteilventil für die Beaufschlagung des Stellventils mit einem Ölanteil an der Fördermenge der Hydraulikpumpe, so daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des Steuerventils konstantgehalten und die restliche Ölmenge dem Betätigungsventil für das-Arbeitsgerät zugeführt wird, eine Arbeitsstellungserfassungseinrichtung zur Erfassung der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät; und ein Ölmengensteuerventil für das Arbeitsgerät zwischen dem Vorrangstromteilventil und dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zur Änderung der vom Vorrangstromteilventil dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zugeführten Ölmenge entsprechend einem Arbeitsstellungssignal von der Arbeitsstellungserfassungseinrichtung.
Nach dieser Ausführung wird ein bestimmter Anteil der Ölfördermenge der Hydraulikpumpe durch das Vorrangstromteilventil dem Stellventil zugeführt, so daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des Stellventils konstantgehalten wird, und das Betätigungsventil für das Arbeitsgerät über das Vorrangstromteilventil mit einer Ölmenge beaufschlagt wird, die durch das Ölmengensteuerventil für das Arbeitsgerät entsprechend der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät gesteuert wird. Infolgedessen wird bei Betätigung des Stellventils eine Ölmenge, die erforderlich ist, um den Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes konstantzuhalten, von der Hydraulikpumpe entsprechend der Arbeitsgeschwindigkeit des Stellventils gefördert. Außerdem wird die Ölmenge, die von der Hydraulikpumpe dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät entsprechend der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät zuzuführen ist, durch das Ölmengensteuerventil für das Arbeitsgerät gesteuert.
Die Förderleistung der Hydraulikpumpe ist damit ausreichend, wenn sie eine für die Steuerung erforderliche Ölmenge und eine dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zuzuführende Ölmenge zur Verfügung stellt. So kann ein nutzloser Hydraulikenergieverbrauch vermieden und eine Kühleinrichtung zum Schutz vor einer Wärmeentwicklung als nutzloser Hydraulikenergieverbrauch kleingehalten werden. Außerdem wird selbst dann, wenn die Förderleistung der Hydraulikpumpe mit veränderlichem Verdrängungsvolumen genauso groß wie oder größer als die Förderleistung einer gewöhnlichen Konstantpumpe ist, ein Anteil an der Ölmenge der Hydraulikpumpe, der nur der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät entspricht, zugeführt. Die Förderleistung der Hydraulikpumpe für das Arbeitsgerät kann so dementsprechend verringert werden, daß insgesamt eine beträchtliche Kostensenkung möglich ist.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Einrichtung des weiteren eine Schalteinrichtung zur Einstellung des höheren der beiden Belastungsdrücke, des Stellbelastungsdrucks hinter dem Steuerschlitz des Stellventils oder des Arbeitsgerätebelastungsdrucks zwischen dem Ölmengensteuerventil für das Arbeitsgerät und dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät, und eine Verdrängungsvolumensteuereinrichtung zur Steuerung der Stellölmenge, so daß der Differenzdruck zwischen dem Förderdruck der Hydraulikpumpe und dem eingestellten höheren Belastungsdruck konstantgehalten wird.
Nach dieser Ausführung ist der Differenzdruck zwischen dem Förderdruck der Hydraulikpumpe und dem höheren Belastungsdruck, dem Stellbelastungsdruck bzw. dem Arbeitsgerätebelastungsdruck niedriger als der Differenzdruck zwischen dem Förderdruck und dem niedrigeren Belastungsdruck. Dieser niedrigere Differenzdruck führt dazu, daß eine kleinere Ölmenge von der Hydraulikpumpe durch das Vorrangstromteilventil und den Steuerschlitz des Stellventils oder die Öffnung des Ölmengensteuerventils für das Arbeitsgerät als bei dem höheren Differenzdruck fließt.
Aus diesem Grund wird dann, wenn die Fördermenge der Hydraulikpumpe mit dem höheren Belastungsdruck, entweder dem Stellbelastungsdruck oder dem Arbeitsgerätebelastungs­ druck, gesteuert wird, wobei der höhere Belastungsdruck dazu führt, daß ein niedrigerer Differenzdruck entsteht und eine kleinere Ölmenge fließt, eine Ölmenge sichergestellt, die dem niedrigeren Belastungsdruck, und zwar dem Stellbelastungsdruck oder dem Arbeitsgerätebelastungsdruck entspricht, wobei der niedrigere Belastungsdruck dazu führt, daß ein höherer Differenzdruck entsteht und eine größere Ölmenge fließt. Dadurch kann ein nutzloser Hydraulikenergieverbrauch vermieden werden, weil die Hydraulikpumpe bei Bedarf das äußerste Mindestmaß an Öl abgibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Ausführung einer Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung der Ausführung einer Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Ausführung des Steuergerätes in Fig. 2;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zum Vergleich der vorliegenden Erfindung mit dem zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik in bezug auf die Arbeitsstellung und die Ölmenge des Arbeitsgeräts;
Fig. 5 eine graphische Darstellung zum Vergleich der vorliegenden Erfindung mit dem ersten Beispiel des bisherigen Standes der Technik in bezug auf das hydraulische Verbrauchsdrehmoment und das Grenzdrehmoment;
Fig. 6 eine Darstellung der Ausführung einer Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe nach dem ersten Beispiel des bisherigen Standes der Technik; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung in bezug auf die Fördermenge der Hydraulikpumpe des zweiten Beispiels des bisherigen Standes der Technik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden soll eine Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden.
Ein Vorrangstromteilventil 20 befindet sich zwischen einer Hydraulikpumpe 2 und einem Stellventil 10. Das Vorrangstromteilventil 20 verteilt die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 vorzugsweise auf das Stellventil 10, so daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des mit einem Steuerzylinder 6 verbundenen Stellventils 10 einen festen Wert hat, der durch die Federkraft f2 der zweiten Feder 28 des Vorrangstromteilventils 20 bestimmt wird. Dadurch wird dem Stellventil 10 die entsprechend der Arbeitsgeschwindigkeit des Stellventils 10 erforderliche Ölmenge zugeführt. Die Fördermenge eines Steuerventils 19 wird durch ein Überdruckventil 21 auf einen feststehenden Anfangsdruck gebracht und den Vorsteuerventilen 22 und 23 zugeführt. Die Arbeitsstellungen der Vorsteuerventile 22 und 23 (Arbeitsstellungen der Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät) werden so gesteuert, daß der Höchstwert des an die Vorsteuerventile 22 und 23 abgegebenen Vorsteuerdrucks durch eine Wechselventilgruppe 24 eingestellt wird, wodurch sich die Öffnung eines Ölmengensteuerventils 25 für das Arbeitsgerät zwischen dem Vorrangstromteilventil 20 und dem Betätigungsventil 17 und 18 für das Arbeitsgerät öffnet.
Der höhere der beiden Belastungsdrücke Ps2 oder Pl2, der Stellbelastungsdruck Ps2 hinter dem Steuerschlitz des Stellventils 10 oder der Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts zwischen dem Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät und den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät wird mit der Einstelleinrichtung 26 (im folgenden als Wechselventil 26 bezeichnet) eingestellt, um damit ein lastabhängiges Ventil 4 zu beaufschlagen. Die Zu- oder Abnahme der Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 wird so lange verändert, bis der Differenzdruck (Pst-s2) oder (Pst-l2) zwischen dem auf das lastabhängige Ventil 4 einwirkenden Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 und dem oben angegebenen höheren Belastungsdruck Ps2 bzw. Pl2 die Federkraft f1 der ersten Feder 27 des lastabhängigen Ventils 4 ausgleicht.
Als nächstes soll nun die Funktionsweise dieser Ausführungsform beschrieben werden.
(1) Wenn sich das Stellventil 10 und die Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät in neutraler Stellung befinden
Wird der Motor 1 im Zustand von Fig. 1 angelassen, dann wird die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2, deren Verdrängungsvolumen den Höchstwert erreicht, weil sich das lastabhängige Ventil 4 in der Position a befindet, über das Vorrangstromteilventil 20 und die neutrale Öffnung 15 des Stellventils 10 abgeführt. Der Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2, der zu diesem Zeitpunkt angestiegen ist, wirkt auf das lastabhängige Ventil 4, wodurch die erste Feder 27 zusammengedrückt wird. Das lastabhängige Ventil 4 bewegt sich dadurch zu der Position b, wodurch das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe 2 verringert wird. Die Größe der neutralen Öffnung 15 ist so ausgelegt, daß der erzeugte Druck höher ist als der Förderdruck Pst, bei dem das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe 2 auf den Mindestwert verringert wird. Der Eingangsdruck Ps1 des von der Hydraulikpumpe 2 an die neutrale Öffnung 15 geförderten Öls wird so größer als die Federkraft f2 der zweiten Feder 28 des Vorrangstromteilventils 20, so daß das Vorrangstromteilventil 20 zu der Position c bewegt wird. Somit teilt das Vorrangstromteilventil 20 die Fördermenge Qst der Hydraulikpumpe 2 vorzugsweise so auf, daß dem Stellventil 10 die Stellölmenge Qs zugeführt wird. Die restliche Ölmenge Q1 für das Arbeitsgerät wird über die Position a des Ölmengensteuerventils 25 für das Arbeitsgerät und die Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät abgeführt.
(2) Wenn das Stellventil 10 unabhängig betätigt wird
Wird das Stellventil 10 betätigt und der mit dem Steuerzylinder 6 in Verbindung stehende Steuerschlitz vergrößert, um den Differenzdruck (Ps1-Ps2) zwischen dem Eingangsdruck Ps1 des Steuerschlitzes und dem Stellbelastungsdruck Ps2 zu verringern, dann verringert sich der Differenzdruck (Pst-s2) zwischen dem Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 und dem Stellbelastungsdruck Ps2. Dieser auf das lastabhängige Ventil 4 einwirkende Differenzdruck (Pst-s2) verringert sich und wird mit der Federkraft f1 der ersten Feder 27 ausgeglichen. Das lastabhängige Ventil 4 wird dadurch zu der Position a bewegt, wodurch die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 vergrößert wird.
Zur gleichen Zeit verringert sich der Differenzdruck (Ps1-Ps2), der auf das Vorrang­ stromteilventil 20 einwirkt, wodurch er mit der Federkraft f2 der zweiten Feder 28 ausgeglichen wird. Dadurch wird das Vorrangstromteilventil 20 zu der Position a bewegt und so die dem Stellventil 10 zugeführte Ölmenge größer. Zu diesem Zeitpunkt ist:
(Pst-Ps2) = f1 und (Ps1-Ps2) = f2.
Infolgedessen ist:
(Pst-Ps1)=(f1-f2).
So verteilt das Vorrangstromteilventil 20 die Fördermenge Qst der Hydraulikpumpe 2 vorzugsweise so, daß das Stellventil 10 mit der Stellölmenge Qs beaufschlagt wird. Die restliche Ölmenge Q1 für das Arbeitsgerät wird über die Position a des Ölmengensteuer­ ventils 25 für das Arbeitsgerät und die Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät abgeführt.
(3) Wenn die Betätigungsventile des Arbeitsgeräts unabhängig betätigt werden
Werden die Betätigungsventile 17 und 18 des Arbeitsgeräts über die Vorsteuerventile 22 und 23 betätigt, dann wird das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät entsprechend den Vorsteuerdrücken zu der Position b bewegt, wodurch die Öffnung des Ölmengen­ steuerventils 25 für das Arbeitsgerät vergrößert wird. Nimmt dadurch der Differenzdruck (Pl1-Pl2) zwischen dem Eingangsdruck Pl1 zur Öffnung des Ölmengensteuerventils 25 für das Arbeitsgerät und dem Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts ab, dann verringert sich der Differenzdruck (Pst-Pl2) zwischen dem Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 und dem Arbeitsgerätebelastungsdruck Pl2. Dieser Differenzdruck (Pst-Pl2), der auf das lastabhängige Ventil 4 einwirkt, verringert sich und wird durch die Federkraft f1 der ersten Feder 27 ausgeglichen. Das lastabhängige Ventil 4 wird dadurch zu der Position a bewegt, wodurch die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 größer wird. So wird der Ölanteil Q1 für das Arbeitsgerät an der Fördermenge Qst der Hydraulikpumpe 2 über das Vorrangstrom­ teilventil 20 und das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät zugeführt. Die restliche Stellölmenge Qs wird über das Vorrangstromteilventil 20 und das Stellventil 10 abgeführt.
(4) Wenn das Stellventil 10 und die Betätigungsventile 17 und 18 des Arbeitsgeräts zur gleichen Zeit betätigt werden
Werden das Stellventil 10 und die Vorsteuerventile 22 und 23 zur gleichen Zeit betätigt, verringert sich entweder der Differenzdruck (Pst-Ps2) zwischen dem Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 und dem Stellbelastungsdruck Ps2 oder der Differenzdruck (Pst-Ps2) zwischen dem Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 und dem Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts im Vergleich zum neutralen Zustand. Obwohl der höhere der Belastungs­ drücke, der Stellbelastungsdruck Ps2 oder der Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts durch das Wechselventil 26 eingestellt wurde, so daß er zusammen mit dem Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 auf das lastabhängige Ventil 4 einwirkt, verringert sich der Differenzdruck (Pst-Ps2) bzw. (Pst-Pl2), bis er mit der Federkraft f1 der ersten Feder 27 ausgeglichen wird. Das lastabhängiges Ventil 4 wird dadurch zu der Position a bewegt, wodurch die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 größer wird.
Da sich der auf das Vorrangstromteilventil 20 einwirkende Differenzdruck (Ps1 Ps2) ebenfalls gegenüber dem neutralen Zustand verringert, wird gleichzeitig das Vorrang­ stromteilventil 20 zu der Position a bewegt, bis der Differenzdruck (Ps1-Ps2) mit der Federkraft f2 der zweiten Feder 28 ausgeglichen wird. Die dem Stellventil 10 zugeführte Ölmenge wird dadurch größer.
Ist der Stellbelastungsdruck Ps2 < der Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts, dann ist (Pst-­ Ps2) < (Pst-Pl2). Anschließend wird der höhere Belastungsdruck Ps2 eingestellt und die Stellölmenge Qs durch das lastabhängiges Ventil 4 so gesteuert, daß (Pst-Ps2) = f1 ist. So teilt das Vorrangstromteilventil 20 die Fördermenge Qst der Hydraulikpumpe 2 vorzugs­ weise so auf, daß dem Stellventil 10 die Stellölmenge Qs zugeführt wird. Die restliche Arbeitsgeräteölmenge Q1 wird über das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät zugeführt. In diesem Fall wird die Öffnung des Vorrangstromteilventil 20 auf der Arbeitsgeräteseite verkleinert, so daß (Pst-­ Pl1) = (Ps2-Pl2) ist. Infolgedessen ist (Pl1-Pl2) = f1, wenn das Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe 2 dem Höchstwert entspricht oder kleiner ist. Das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät wird dadurch mit einer Ölmenge beaufschlagt, die etwa der Ölmenge Q1 des Arbeitsgeräts bei unabhängigem Betrieb des Arbeitsgeräts entspricht. So kann dadurch, daß die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 mit einem höheren Stellbelastungs­ druck Ps2 gesteuert wird, eine unzureichende Stellölmenge Qs sicher verhindert werden.
Ist der Arbeitsgerätebelastungsdruck Pl2 < der Stellbelastungsdruck Ps2, dann ist (Pst-­ Pl2) < (Pst-Ps2). Anschließend wird der höhere Belastungsdruck Pl2 eingestellt und die Arbeitsgeräteölmenge Q1 so gesteuert, daß (Pst-Pl2) = f1 ist. In diesem Fall ist (Pst-Ps2) < f1. Da die Steuerung jedoch durch das Vorrangstromteilventil 20 so erfolgt, daß Ps1-­ Ps2) = f2 ist, wird die Öffnung des Vorrangstromteilventils 20 auf der Stellseite verkleinert, so daß (Pst-Ps1) = (Pl2-Ps2 + f1-f2) ist. Infolgedessen wird dem Stellventil 10 vorzugsweise eine Ölmenge zugeführt, die der Stellölmenge Qs bei unabhängiger Steuerung entspricht.
Wie oben beschrieben, fördert die Hydraulikpumpe 2 dann, wenn Ps2 < Pl2 oder Pl2 < Ps2 ist, die Ölmenge Qst (= Qs + Q1), bei der es sich um die Summe aus der Stellölmenge Qs und der Ölmenge Q1 für das Arbeitsgerät handelt, und wird die Stellölmenge Qs vorzugsweise dem Stellventil 10 zugeführt.
Als nächstes soll die Beziehung zwischen dem Stellweg der Vorsteuerventile 22 und 23 und der den Betätigungsventilen des Arbeitsgeräts 17 und 18 zugeführten Arbeitsgeräteölmenge unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden.
Die Abszisse stellt den Stellweg dar, der den Arbeitsstellungen der Betätigungsventile 17 und 18 des Arbeitsgeräts entspricht, während auf der Ordinate die Ölmenge für das Arbeitsgerät (einschließlich der den Arbeitsgerätezylindern 7 und 8 zugeführten Ölmenge) dargestellt ist. Die Ölmenge, die den Arbeitsgerätezylindern 7 und 8 von dem Betätigungs­ ventil 17 und 18 für das Arbeitsgerät zugeführt wird, nimmt entsprechend einer Kurve A mit der Zunahme des Stellwegs zu. Die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 wird ebenfalls entsprechend der Zunahme des Stellwegs größer, während die Gesamtfördermenge der Hydraulikpumpe und die feststehende Fördermenge der Hydraulikpumpe 9 des Arbeitsgeräts entsprechend einer Kurve B zunimmt und den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät zugeführt wird.
Im Gegensatz zu dem zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik erreicht die Fördermenge der Hydraulikpumpe ihren Höchstwert, wenn das Arbeitsgerät betätigt wird, und werden die Gesamtfördermenge der Hydraulikpumpe und die feststehende Fördermenge der Hydraulikpumpe des Arbeitsgeräts durch eine Gerade C dargestellt. Dadurch kann in dieser Ausführungsform der Druckverlust, der auf die an den Betätigungs­ ventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät austretende Leckölmenge zurückzuführen ist, um den schraffierten Bereich gegenüber dem zweiten Beispiel des bisherigen Standes der Technik verringert werden.
Als nächstes soll ein Fall, bei dem eine Einrichtung nach dieser Ausführungsform bei einer Lademaschine Anwendung findet, das eine V-förmige Ladeoperation ausführt, unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben werden.
In Fig. 5 zeigt die Abszisse die Drehzahl des Motors und die Ordinate das Motordreh­ moment (einschließlich dem Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment). Nach einer Umschaltung bei einer Ladeoperation (Aufnehmen von Erde und Sand auf eine Ladeschaufel, Zurücksetzen des Fahrzeuges und anschließendes Heranfahren des Fahrzeuges an ein Kipperfahrzeug) wird die Motordrehzahl von der niedrigen Drehzahl auf die höchste Drehzahl geändert, der Ausleger des Arbeitsgeräts angehoben, und die Lademaschine an die Ladefläche eines Kipperfahrzeuges herangefahren. Das Motordrehmoment erreicht dann den Höchstwert in einer Motordrehmomentkurve a. Die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 wird hierbei durch das Vorrangstromteilventil 20 so aufgeteilt, daß nur die Ölmenge, die der Drehgeschwindigkeit des Steuerrades 11 entspricht, dem Stellventil 10 zugeführt wird. Werden die Vorsteuerventile 22 und 23 betätigt, dann strömt die Ölmenge, die durch das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät entsprechend der Arbeitsstellung der Vorsteuerventile 22 und 23 gesteuert wird, durch das Vorrangstromteilventil 20 und das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät und vereinigt sich mit der Fördermenge der Hydraulikpumpe 9 des Arbeitsgeräts und wird den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät zugeführt.
Da die Fördermenge der Hydraulikpumpe g des Arbeitsgeräts verringert und die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 in dieser Ausführungsform vergrößert wird, ist das Gesamt-Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment b der Hydraulikpumpe 9 des Arbeitsgeräts und der Hydraulikpumpe 2 bei niedriger Drehzahl des Motors 1 kleiner als das Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment c im ersten Beispiel des bisherigen Standes der Technik. Die Geschwindigkeit des Arbeitsgeräts wird dadurch verlangsamt. Weil das Grenzdrehmoment d das als Gesamt-Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment b von der Motordrehmomentkurve a subtrahiert wird, größer als das Grenzdrehmoment e des ersten Beispiels des bisherigen Standes der Technik wird, kann jedoch die Beschleunigung des Motors so erhöht werden, daß die zum vollständigen Anheben der Schaufel benötigte Zeit verkürzt werden kann.
Wird keine Stelloperation ausgeführt, dann ist die Arbeitsgeschwindigkeit im gesamten Drehzahlbereich des Motors höher als bei dem ersten Beispiel des bisherigen Standes der Technik, da die gesamte Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 zur zusätzlichen Unterstützung der Betätigungsventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät genutzt wird.
Obwohl das Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment f bei einer hohen Drehzahl des Motors 1 größer als das Hydraulikenergieverbrauchs-Drehmoment g des ersten Beispiels des bisherigen Standes der Technik ist, verringert sich die Fahrgeschwindigkeit der Lademaschine entsprechend der Zunahme der Arbeitsbelastung im Ausgleichsdrehzahl­ bereich, wobei das Fahrdrehmoment die Kurve h des vom Drehmomentenwandler aufgenommenen Drehmoments schneidet. Das entspricht in vorteilhafter Weise dem Bedienempfinden einer Bedienperson, weil sie die Abnahme der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs im allgemeinen spürt, wenn die Betriebslast größer wird.
Als nächstes soll eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 beschrieben werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der rein hydraulischen Steuerung in der ersten Ausführungsform in dem Punkt, daß das lastabhängige Ventil 4 und das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät elektrisch mit Hilfe eines Steuergerätes gesteuert werden. In dieser zweiten Ausführungsform werden die gleichen Bestandteile wie in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszahlen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet, so daß infolgedessen auf ihre Erklärung verzichtet wird.
Die Arbeitsstellungen der Vorsteuerventile 22 und 23 (Arbeitsstellungen der Betätigungs­ ventile 17 und 18 für das Arbeitsgerät) werden durch Vorsteuerdruckmeßfühler 31 bis 34 als Vorsteuerdrücke erfaßt bei denen es sich um von den Vorsteuerventilen 22 und 23 abgegeben e Arbeitsstellungssignale handelt. Ein Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts zwischen dem Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät und den Betätigungsventilen 17 und 18 für das Arbeitsgerät wird durch einen Belastungsdruckmeßfühler 35 des Arbeitsgeräts erfaßt. Der Druck hinter der neutralen Öffnung 15 des Stellventils 10 oder der Stellbelastungsdruck Ps2 hinter dem Steuerschlitz wird durch einen Stellbelastungs­ druckmeßfühler 36 erfaßt. Der Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 wird durch einen Fördermengendruckmeßfühler 37 erfaßt. Der Eingangsdruck Ps1 am Steuerschlitz wird durch einen Steuerschlitzeingangsdruckmeßfühler 38 erfaßt. Die Meßsignale der Meßfühler 31 bis 38 werden an ein Steuergerät 30 übermittelt, das in Fig. 3 detailliert dargestellt ist. Das Steuergerät 30 führt Prüfungen und Berechnungen in den darin vorhandenen entsprechenden Schaltungen durch und übermittelt anschließend Steuer­ signale an das lastabhängige Ventil 4, das Ölmengensteuerventil 25 für das Arbeitsgerät und das Vorrangstromteilventil 20 zur Durchführung der Steuerungsschritte.
Als nächstes wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform beschrieben. Zunächst wird der höhere der von den Vorsteuerdruckmeßfühlern 31 und 32 gemessenen beiden Vorsteuerdrücke von der ersten Prüfschaltung 40 im Steuergerät 30 bestimmt. Dann wird der höhere der von den Vorsteuerdruckmeßfühlern 33 und 34 gemessenen Vorsteuer­ drücke durch die zweite Prüfschaltung 41 bestimmt. Der höchste Vorsteuerdruck von beiden höheren Vorsteuerdrücken wird durch die dritte Prüfschaltung 42 bestimmt. Das Ölmengen­ steuerventil 25 für das Arbeitsgerät wird mit diesem Höchstvorsteuerdrucksignal gesteuert.
Der höhere der beiden Belastungsdrücke Pl2 oder Ps2, der durch den Belastungsdruck­ meßfühler 35 des Arbeitsgeräts gemessene Belastungsdruck Pl2 des Arbeitsgeräts oder der durch den Stellbelastungsdruckmeßfühler 36 gemessene Stellbelastungsdruck Ps2, wird von der vierten Prüfschaltung 43 bestimmt und anschließend einer Differenzdruck­ berechnungsschaltung 44 zusammen mit dem durch den Förderdruckmeßfühler 37 gemessenen Förderdruck Pst der Hydraulikpumpe 2 zugeführt. Die Differenzdruck­ berechnungsschaltung 44 berechnet den Differenzdruck (Pst-Ps2) oder (Pst-Pl2) für die Steuerung des lastabhängigen Ventils 4 mit dem erhaltenen Differenzdrucksignal.
Der höhere der beiden Drücke Ps2 oder Ps1, der vom Stellbelastungsdruckmeßfühler 36 gemessene Stellbelastungsdruck Ps2 oder der vom Steuerschlitzeingangsdruckmeßfühler 38 gemessene Steuerschlitzeingangsdruck Ps1, wird von der fünften Prüfschaltung 45 bestimmt. Das Vorrangstromteilventil 20 wird mit diesem ermittelten Differenzdruck gesteuert.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe (2) für eine Baumaschine, bei dem eine nur der Stellgeschwindigkeit entsprechende erforderliche Ölmenge einem Stellantrieb (6) zugeführt werden kann, wobei die Fördermenge der Hydraulikpumpe (2) je nach der Arbeitsstellung eines Betätigungsventils (17,18) für das Arbeitsgerät vergrößert und nur die von der Hydraulikpumpe geförderte Ölmenge, die der Zunahme der Fördermenge entspricht, dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zuführt wird.
2. Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine, die eine Hydraulikpumpe (2) mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, eine Verdrängungsvolumensteuereinrichtung (5) zur Steuerung des Verdrängungsvolumens der Hydraulikpumpe, einen Stellantrieb (6) für die Betätigung eines Hydrauliksystems der Baumaschine, ein Stellventil (10) zwischen der Hydraulikpumpe und dem Stellantrieb und ein Betätigungsventil (17, 18) für das Arbeitsgerät zur Betätigung eines Arbeitsgeräte­ stellantriebs (7, 8) für den Antrieb eines Arbeitsgeräts besitzt, wobei die Verdrängungs­ volumensteuereinrichtung so gesteuert wird, daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des Stellventils konstantgehalten wird; und folgende Bestandteile umfaßt:
ein Vorrangstromteilventil (20) für die Beaufschlagung des Stellventils mit einem Ölanteil an der Fördermenge der Hydraulikpumpe (2), so daß der Differenzdruck zwischen der Vorder- und Rückseite des Steuerschlitzes des Stellventils (10) konstantgehalten und die restliche Ölmenge dem Betätigungsventil (17, 18) des Arbeitsgeräts zugeführt wird;
eine Arbeitsstellungserfassungseinrichtung (24) zur Erfassung der Arbeitsstellung des Betätigungsventils für das Arbeitsgerät; und
ein Ölmengensteuerventil (25) für das Arbeitsgerät zwischen dem Vorrangstrom­ teilventil und dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät zur Änderung der dem Betätigungsventil für das Arbeitsgerät vom Vorrangstromteilventil zugeführten Ölmenge entsprechend einem Arbeitsstellungssignal von der Arbeitsstellungserfassungseinrichtung.
3. Einrichtung zur Steuerung des Verdrängungsvolumens einer Hydraulikpumpe für eine Baumaschine nach Anspruch 2, die des weiteren folgende Bestandteile umfaßt:
eine Einstellvorrichtung (26) zur Einstellung des höheren Belastungsdrucks, entweder des Stellbelastungsdrucks hinter dem Steuerschlitz des Stellventils (10) oder des Arbeitsgerätebelastungsdrucks zwischen dem Ölmengensteuerventil (25) für das Arbeitsgerät und dem Betätigungsventil (17, 18) für das Arbeitsgerät, und
eine Verdrängungsvolumensteuereinrichtung (5) zum Steuern der Stellölmenge, so daß der Differenzdruck zwischen dem Förderdruck der Hydraulikpumpe (2) und dem eingestellten Belastungsdruck konstantgehalten wird.
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