DE19850611C1 - Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektrohydraulisch verstellbare Arbeitsmaschine (10) vorgeschlagen, die zur Verstellung in eine Neutralhubposition im Falle von Störungen im Regelkreis der Hubeinrichtung (16) mit einer schnell und genau schaltenden Sicherheitseinrichtung (40) ausgestattet ist. Diese wird erfindungsgemäß von einem konventionellen, elektromagnetischen Schaltventil (41) gebildet, das dem Regelventil (28) der Hubeinrichtung (16) nachgeschaltet ist. Das Schaltventil (41) ist als 6/2-Wegeventil in Schieberventiltechnik ausgeführt und läßt sich ohne konstruktive Eingriffe am Regelventil (28) bauraumsparend an der Arbeitsmaschine (10) befestigen. Auch Arbeitsmaschinen (10), deren Verstellung durch eine Fremddruckversorgungspumpe (34) erfolgt, lassen sich mit einer derartigen Sicherheitseinrichtung (40) vor einer Selbstzerstörung im Störungsfall absichern.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer verstellbaren hydraulischen Arbeitsmaschine entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Eine derartige Arbeitsmaschine ist in Form einer Radialkolbenpumpe beispielsweise aus der DE 44 10 719 A1 bereits bekannt. Diese Radialkolbenpumpe weist eine Reihe von Sensoren auf, deren Signale in einer elektronischen Steuereinheit ausgewertet und zu einem Ansteuersignal für eine Regeleinrichtung der Radialkolbenpumpe verarbeitet werden. Die Regeleinrichtung wirkt mit einem Verstellorgan zusammen, das wiederum auf eine Hubeinrichtung einwirkt. Ziel dieses Regelkreises ist es, geräuschverursachende Schwingungen in der Verstelleinrichtung einer Radialkolbenpumpe durch eine entsprechende Ansteuerung der Verstelleinrichtung zu dämpfen.

Kommt es dabei zu einer Störung im Regelkreis, so kann die Radialkolbenpumpe auf maximale Saug- bzw. Fördermenge eingestellt werden. Im Extremfall kann dies zum Leersaugen des angeschlossenen Hydraulikkreises und danach durch Schmierstoffmangel zur Selbstzerstörung der Radialkolbenpumpe führen.

Zur Vermeidung dieses Problems sind Sicherheitseinrichtungen bekannt, die die Regeleinrichtung hydraulisch beaufschlagen, um dadurch die Hubeinrichtung in eine Neutralhubposition zu verbringen. Derartige Sicherheitseinrichtungen arbeiten jedoch relativ träge und sind daher für hochdynamische Regelvorgänge, wie sie beispielsweise zur Geräuschreduzierung einer Radialkolbenpumpe erforderlich sind, ungeeignet. Zudem ist die Neutralhubposition der Hubeinrichtung oftmals nicht eindeutig definiert.

Andere bekannt gewordene Sicherheitseinrichtungen umfassen Regelventile mit zusätzlichen Schaltstellungen für den Störungsfall. Diese zusätzlichen Schaltstellungen werden durch Schaltmagnete angefahren, die hierfür entsprechend bestromt werden. Eine Rückstellung der Regelventile erfolgt durch Federbeaufschlagung. Separate Schaltstellungen in Regelventilen, darauf abgestimmte Schaltmagnete und Rückstellfedern stellen jedoch einen hohen Bauaufwand dar. Diese Maßnahmen vergrößern das Bauvolumen eines Regelkreises und sind zudem relativ teuer in der Realisierung.

Aus der Druckschrift DE 44 34 750 C1 ist eine verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine mit einer dem Verstellorgan vorgeschalteten Sicherheitseinrichtung bereits bekannt. Allerdings bildet diese bekannte Sicherheitseinrichtung einen geschlossenen, vom Arbeitskreis des Druckerzeugers abgekoppelten Regelkreis. Die Wechselwirkung zwischen dem Regelkreis und dem Arbeitskreis erfolgt mechanisch, so daß eine direkte Rückmeldung über die Förderverhältnisse im Arbeitskreis nicht besteht. Zudem ist der Regelkreis aus mehreren, aufwendigen Regelventilen aufgebaut, die dessen Herstellung verteuern und dessen Regelgeschwindigkeit verlangsamen.

Die US 4,456,434 offenbart darüberhinaus eine Steuereinheit für eine verstellbare Arbeitsmaschine mit einem elektronischen Steuergerät zur Ansteuerung eines federzentrierten 3/3-Regelventils. Dessen Aufgabe ist es, die Fördermenge der Arbeitsmaschine auf einen Sollwert zu regeln, der an der Hubeinrichtung der Arbeitsmaschine einstellbar ist. Ferner ist ein Schaltventil zur Begrenzung des Drucks im Arbeitskreis der Arbeitsmaschine vorhanden. Diese Einrichtungen sind im Unterschied zur Erfindung nicht dazu geeignet, im Falle einer Störung der Ansteuerelektronik die Arbeitsmaschine in eine Neutralhubposition zu verbringen, um etwaige Gefahrensituationen abzusichern.

Ausgehend von der DE 44 34 750 C1, als nächstliegendem Stand der Technik, liegt der Erfindung demnach die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine mit Sicherheitseinrichtung zu schaffen, bei der diese Sicherheitseinrichtung einfach und kostengünstig ausgeführt ist, im Störungsfall eine schnelle und unmittelbare Steuerung der Arbeitsmaschine vornimmt und deren Regelkreis zum Arbeitskreis hin offen ist. Diese Aufgabe löst eine hydraulische Arbeitsmaschine mit Sicherheitseinrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Diese erfindungsgemäße Arbeitsmaschine hat den Vorteil, daß ihre Sicherheitseinrichtung aus einem in Massenware erhältlichen Schaltventil besteht, das dem Regelventil für die Arbeitsmaschine nachgeschaltet ist, und das Druckmittelverbindungen zwischen dem Regelventil und der Hubeinrichtung im Bedarfsfall freigibt oder im Störungsfall umschaltet. Das Schaltventil arbeitet relativ schnell, läßt damit dynamische Regelvorgänge zu und ist preisgünstig verfügbar. Es läßt sich ohne konstruktive Änderungen am Regelventil in den Regelkreis integrieren und ist von der baulichen Ausführung dieses Regelventils unabhängig.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Das Schaltventil ist als elektromagnetisch betätigbares Schieberventil in 6/2-Wegeventiltechnik ausgeführt und zeichnet sich durch seine mechanische Stabilität aus. Durch eine anwendungsspezifisch gewählte Ventilüberdeckung ist die Ansprechgeschwindigkeit und die Dichtheit des Schaltventils wählbar. Das Schaltventil baut zudem kompakt und läßt sich in Gehäusebauteile der Arbeitsmaschine integrieren. Auch fremddruckgesteuerte Arbeitsmaschinen können damit abgesichert werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schaltskizze einer verstellbaren hydraulischen Arbeitsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung; in Fig. 2 ist das die Sicherheitseinrichtung bildende Schaltventil als Einzelteil, teilweise im Längsschnitt, dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Schaltplan nach Fig. 1 stellt einen Regelkreis für eine verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine 10 dar. Diese Arbeitsmaschine 10 kann als Pumpe oder Motor betrieben werden; in Fig. 1 ist exemplarisch der Pumpenbetrieb gezeichnet. Demnach fördert die Arbeitsmaschine 10 Druckmittel aus einem Vorratsbehälter 12 zu einem hydraulischen Verbraucher 14. Bei der Arbeitsmaschine 10 kann es sich um eine Kolbenpumpe, beispielsweise eine Radialkolbenpumpe oder eine Axialkolbenpumpe handeln. Beide Pumpenbauformen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so daß auf eine Beschreibung deren Aufbaus und Funktion an dieser Stelle verzichtet wird.

Die Fördermenge der verwendeten Arbeitsmaschine 10 ist veränderlich. Hierfür ist diese mit einer verstellbaren Hubeinrichtung 16 versehen, die in Fig. 1 nur symbolisch dargestellt ist. Diese Verstellung erfolgt mit Hilfe eines hydraulischen Verstellorgans 18, das beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Kolben-/Zylindereinheiten 20, 22 umfaßt. Im Ausführungsbeispiel sind die Kolben-/Zylinder- Einheiten 20, 22 identisch, d. h. mit gleich großen wirksamen Kolbendurchmessern ausgeführt. Die beiden Kolben- /Zylinder-Einheiten 20, 22 sind getrennt voneinander mit Druckmittel versorgt. Die hierfür vorgesehenen Druckmittelleitungen 24, 26 sind mit den Arbeitsanschlüssen A und B eines Regelventils 28 kontaktiert.

Das Regelventil 28 ist zusätzlich zu den Arbeitsanschlüssen A und B mit zwei Versorgungsanschlüssen P und T ausgestattet und weist drei mögliche Schaltstellungen auf. Die Umschaltung zwischen diesen Schaltstellungen erfolgt mittels eines Doppelhubmagneten 30, der, elektrisch angesteuert, Schaltkräfte in zwei entgegengesetzte Raumrichtungen erzeugen kann. In der mittleren Schaltstellung des Regelventils 28 ist eine Druckmittelverbindung von den Versorgungsanschlüssen P und T zu den Arbeitsanschlüssen A und B unterbrochen, während in den beiden anderen Schaltstellungen die Versorgungsanschlüsse P und T wechselweise mit dem Arbeitsanschluß A oder dem Arbeitsanschluß B gekoppelt sind.

Zur Ansteuerung des Doppelhubmagneten 30 ist eine elektronische Steuereinheit 32 vorhanden. Diese wertet Sollwertsignale und Istwertsignale von Wegsensoren am Verstellorgan 18 und am Doppelhubmagneten 30 aus und wandelt diese in Ansteuersignale für das Regelventil 18 um.

Die Versorgungsanschlüsse P und T des Regelventils 28 sind entweder mit der Hochdruck- oder mit der Niederdruckseite der Arbeitsmaschine 10 oder einer Fremddruckversorgungspumpe 34 verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind beide Arten der Druckversorgung realisiert, wobei zur Umschaltung zwischen diesen beiden Varianten ein dem Regelventil 28 vorgeschaltetes Umschaltventil 36 vorgesehen ist.

Ein derartiger Regelkreis ist für hochdynamische Regelvorgänge geeignet. Arbeitsmaschinen 10 lassen sich somit schnell und präzise ansteuern. Störungen in diesem Regelkreis, beispielsweise durch abgefallene oder durchtrennte Sensorkabel, können im Extremfall zur Zerstörung der Arbeitsmaschine 10 führen. Der Grund hierfür liegt u. a. in einer unzureichend definierten Neutralhubposition für das Regelventil 28 bzw. für die Arbeitsmaschine 10 selbst.

Um dieses Problem möglichst kostengünstig und bauraumsparend zu lösen und ohne konstruktive Änderungen am Regelventil 28 durchführen zu müssen, ist in den Regelkreis nach Fig. 1 erfindungsgemäß eine Sicherheitseinrichtung 40 eingebaut. Diese besteht aus einem Schaltventil 41, das als Wegeventil mit sechs Anschlüssen und zwei Schaltstellungen ausgeführt ist und sich elektromagnetisch, d. h. von der Steuereinheit 32 steuerbar, betätigen läßt. Das Schaltventil 41 ist zwischen das Regelventil 28 und die Hubeinrichtung 16 geschaltet und gibt Druckmittelverbindungen zwischen dem Regelventil 28 und der Hubeinrichtung 16 im Betriebszustand frei, bzw. schaltet diese im Störungsfall um.

Hierfür ist das Schaltventil 41 mit einer Rückstellfeder 42 versehen, die seiner elektromagnetischen Ansteuerung entgegenwirkt. Im Betriebszustand ist diese Ansteuerung bestromt, wobei die erzeugte Magnetkraft die Rückstellfeder 42 überdrückt. Im Störungsfall wird die Stromzufuhr zur Ansteuerung unterbrochen, so daß sich die Rückstellfeder 42 entspannen und das Schaltventil 41 in seine Grundposition zurückstellen kann. In dieser dargestellten Grundposition ist der mit der ersten Kolben-/Zylinder-Einheit 20 gekoppelte erste Arbeitsanschluß A mit der Hochdruckseite verbunden, während der mit der zweiten Koblen-/Zylinder- Einheit 22 verbundene zweite Arbeitsanschluß B zum Vorratsbehälter 12 hin entlastet ist. Die Hubeinrichtung 16 bewegt sich dadurch in eine Neutralhubposition, in der die Arbeitsmaschine 10 den angeschlossenen Hydraulikkreis nicht leersaugen kann. Die Schmierung der Arbeitsmaschine 10 ist dadurch auch im Störungsfall gewährleistet und eine Selbstzerstörung der Arbeitsmaschine ist ausgeschlossen.

Wie Fig. 2 zeigt, ist das Schaltventil 41 als Schieberventil ausgebildet, dessen Schieber 43 beweglich in einer Durchgangsbohrung 44 eines Gehäuses 46 geführt ist. Der Schieber 43 ist mit Kolbenabschnitten 48 und Einschnürungen 50 versehen, die in axialer Richtung abwechselnd aufeinanderfolgen. Im Gehäuse 46 sind radial zum Schieber 43 verlaufende, nebeneinanderliegende Querkanäle 52 vorgesehen. Diese enden umfangseitig in insgesamt sechs Anschlüssen, die mit A, A', B, B', P und T bezeichnet sind. Die beiden zu den Anschlüssen P und T führenden Querkanäle 52 sind sacklochartig ausgebildet und gehen an ihren inneren Enden in Axialkanäle 54 über, die zu den Anschlüssen A' und B' führen. Die zu den Anschlüssen A, A' bzw. B, B' führenden Querkanäle 52 sind demgegenüber durchgehend ausgebildet. In der gezeichneten Grundposition des Schaltventils 41 befindet sich der Schieber 43 in einer Stellung, in der die Anschlüsse A' und B' mit den Anschlüssen P und T verbunden sind.

Ein elektrisch ansteuerbarer Schaltmagnet 56 ist an einer Stirnseite des Gehäuses 46 angeordnet. Dieser beaufschlagt den Schieber 43 im bestromten Zustand entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 42, die sich am gegenüberliegenden Ende des Schiebers 43 abstützt. In der Grundposition verbindet der Schieber 43 die Anschlüsse A, B und A', B' miteinander und unterbricht gleichzeitig die Druckmittelverbindung von P, T zu A', B'.

Die an den Stirnseiten des Gehäuses 16 liegenden Abschnitte der Durchgangsbohrung 44 sind zur Abführung von Druckmittelleckage aus dem Spalt zwischen der Umfangsfläche der Kolbenabschnitte 48 und der Wandung der Durchgangsbohrung 44 über einen Leckagekanal 58 mit dem Vorratsbehälter 12 verbunden.

Derartig ausgebildete Schaltventile 41 sind als Massenware preisgünstig am Markt erhältlich. Sie bauen relativ einfach und kompakt und lassen sich deshalb in Zwischenplatten oder in Gehäusedeckeln einer Arbeitsmaschine 10 unterbringen. Das Bauvolumen einer Arbeitsmaschine 10 oder eines Regelkreises bleibt somit weitgehend unverändert.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

1. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine (10) als Pumpe oder Motor, mit einem von Druckmittel durchströmtem Triebwerk, das Antriebsenergie in Druckenergie oder umgekehrt wandelt, mit einer den Druckmittelfluß durch das Triebwerk regelnden Hubeinrichtung (16), die mittels einer Regeleinrichtung aus wenigstens einem Verstellorgan (18), einem elektrohydraulischen Regelventil (28) und einer elektronischen Steuereinheit (32) in ihrer Relativposition zum Triebwerk veränderlich ist und mit einer dem Verstellorgan (18) vorgeschalteten Sicherheitseinrichtung (40), die die Hubeinrichtung (16) bei Störungen im Regelkreis der Regeleinrichtung in ihre Neutralhubposition verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellorgan (18) wenigstens zwei entgegengesetzt zueinander wirkende Kolben-/Zylinder-Einheiten (20, 22) umfaßt und daß die Sicherheitseinrichtung ein einziges Schaltventil (41) aufweist, das Druckmittelverbindungen zwischen dem Regelventil (28) und den Kolben-/Zylinder-Einheiten (20, 22) unter Betriebsbedingungen freigibt bzw. das im Störungsfall eine Grundstellung einnimmt, in der die erste der beiden Kolben-/Zylinder-Einheiten (20) zum Rücklauf entlastet und die zweite Kolben-/Zylinder-Einheit (22) mit der Druckseite der Arbeitsmaschine (10) verbunden ist.

2. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (41) ein elektromagnetisch betätigbares Schieberventil in 6/2- Wegebauweise ist.

3. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine (10) eine Radialkolbenmaschine mit einem Hubring (16) als Hubeinrichtung ist.

4. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (28) der Arbeitsmaschine (10) ein 4/3-Wege- Schaltventil ist, das von einem Doppelhubmagneten (30) betätigbar ist.

5. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellkolben der Kolben-/Zylinder-Einheiten (20, 22) jeweils den selben wirksamen Kolbendurchmesser aufweisen.

6. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (32) mit Hilfe von Wegsensoren Schwingungen der Hubeinrichtung (16) erfaßt und zur Dämpfung dieser Schwingungen und damit zur Reduzierung des Betriebsgeräusches der Arbeitsmaschine (10) in Ansteuersignale für die Hubeinrichtung (16) umwandelt.

7. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung (40) eine Rückstellfeder (42) umfaßt, die im Störungsfall die Sicherheitseinrichtung (40) in die Grundstellung verbringt.

8. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung (40) in einer Zwischenplatte angeordnet ist, die an das Regelventil (28) für die Hubeinrichtung (16) anflanschbar ist.

9. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung (40) im Gehäusedeckel des Verstellorgans (18) angeordnet ist.

10. Verstellbare hydraulische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Hubeinrichtung (16) einwirkende Verstellorgan (18) in einen Hydraulikkreis geschaltet ist, dessen Druckversorgung mittels einer von der Arbeitsmaschine (10) unabhängigen Fremddruckversorgungspumpe (34) erfolgt.