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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Pumpensteuerung mit variabler Verdrängung und insbesondere auf eine Drucksteuerung mit variablem Rahmen für eine lastabfühlende Pumpe mit variabler Verdrängung.
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Technischer Hintergrund
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Die Pumpenverdrängungssteuerungen für Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung, die bei hydraulischen Systemen mit geschlossener Mitte verwendet werden, besitzen typischerweise eine lastabfühlende Steuerung oder eine Steuerung mit variablem Druckrahmen, die dem Pumpenauslaßdruck auf dem voreingestellten Rahmen- bzw. Einstelldruck hält. Der Rahmendruck bezieht sich oft auf die Druckdifferenz zwischen dem Pumpenauslaßdruck und dem höchsten Lastdruck des Systems während des Betriebs. Bei den meisten Hydrauliksystemen mit geschlossener Mitte funktioniert die Rahmendrucksteuerung auch dahingehend, daß sie den Pumpenauslaßdruck auf einem Wert gleich dem Rahmendruck hält, wenn das System nicht verwendet wird.
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Manche Hydrauliksysteme mit geschlossener Mitte verwenden eine gemeinsame Pumpe für verschiedene getrennte Hydraulikschaltungen. Beispielsweise haben die Hydrauliksysteme, die bei hydraulischen Grabmaschinen bzw. Baggern verwendet werden, getrennte Schaltungen bzw. Kreisläufe zur Steuerung des Auslegers, des vorderen Auslegers und der Schaufel genauso wie für die Antriebsmotoren. Ein dabei angetroffenes Problem ist es bis jetzt gewesen, daß der voreingestellte Rahmen der gleiche für alle der getrennten Schaltungen bleibt. Ein solches Hydrauliksystem ist beispielsweise aus
US 5 562 424 A und aus
DE 696 12 803 T2 bekannt. Es ist jedoch herausgefunden worden, daß der Betrieb von mindestens einer der Hydraulikschaltungen bei manchen Betriebsvorgängen verbessert werden kann, wenn ein höherer Rahmendruck selektiv für diese eine Schaltung verfügbar gemacht werden könnte. Somit wäre es wünschenswert, eine Drucksteuerung mit variablen Rahmen zu haben, die einen vorbestimmten Rahmendruck während der meisten Betriebsvorgänge des hydraulischen Systems beibehält, wobei sie jedoch selektiv auf einen höheren Wert angehoben werden kann, wenn eine der Hydraulikschaltungen betrieben wird.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Drucksteuerung mit variablem Rahmen für eine lastabfühlende Pumpe mit variabler Verdrängung, einen Körper mit einer Bohrung darin auf, einen Aulaßdurchlaß, der den Auslaßdruck zur Bohrung übermittelt, einen Steueranschluß, der mit der Bohrung in Verbindung steht, und einen Auslaßflußpfad, der mit der Bohrung in Verbindung steht. Ein Ventilkolben, der gleitend in der Bohrung angeordnet ist, definiert eine Kammer in kontinuierlicher Verbindung mit dem Auslaßdurchlaß und ist in eine erste Richtung bewegbar, um den Auslaßdurchlaß mit dem Steueranschluß zu verbinden, und ist in eine zweiten Richtung bewegbar, um den Steueranschluß mit dem Auslaßflußpfad zu verbinden.
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Eine Vorrichtung spannt den Ventilkolben in der zweiten Richtung vor, und zwar mit einer Vorspannkraft, die ausreicht, um einen vorbestimmten Rahmendruck einzurichten. Eine andere Vorrichtung wendet eine fernsteuerbare variable Vorspannkraft gegen den Ventilkolben an, so daß der Rahmendruck selektiv ansprechend auf den Empfang eines Drucksignals variiert werden kann. Eine weitere Vorrichtung wendet eine durch Lastdruck erzeugte Vorspannkraft gegen den Ventilkolben in der zweiten Richtung an, so daß der Rahmendruck über den Druckbetriebsbereich der Pumpe aufrecht erhalten wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige Zeichnung ist eine diagrammartige Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
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Mit Bezug auf die Zeichnungen ist eine Pumpenverdrängungssteuerung, im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, in Kombination mit einer Pumpe 11 mit variabler Verdrängung gezeigt, die eine Taummel- bzw. Wellenplatte 12 besitzt, die zwischen Positionen mit maximaler und minimaler Verdrängung beweglich ist. Eine Servobetätigungsvorrichtung, die diagrammartig bei 13 gezeigt ist, weist einen Servokolben 14 auf, der betriebsmäßig mit der Taummel- bzw. Wellenplatte 12 verbunden ist, Mittel 15 zur Vorspannung der Taummelplatte in ihre Position mit maximaler Verdrängung, und eine Betätigungsvorrichtungskammer 17, an einem Ende des Kolbens, um steuerbar einen Steuerdruck zu empfangen, um die Taummelplatte zu ihrer Position mit minimaler Verdrängung zu bewegen. Die Mittel 15 können beispielsweise eine Druckfeder 16 und eine Kammer 16a sein, die mit dem Pumpenauslaß verbunden ist. Während die Pumpenverdrängungssteuerung und die Servobetätigungsvorrichtung getrennt von der Pumpe mit variabler Verdrängung gezeigt sind, und zwar zur bequemeren Darstellung, sind diese Komponenten im allgemeinen innerhalb des Gehäuses der Pumpe mit variabler Verdrängung enthalten oder befestigt.
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Die Pumpenverdrängungssteuerung 10 weist einen Körper 18 mit einer Bohrung 19 darin auf, einen Aulaßdurchlaß 21, der den Pumpenauslaßdruck mit der Bohrung verbindet, einen Steuerdurchlaß 22, der die Bohrung mit der Betätigungsvorrichtungskammer 17 verbindet und einen Auslaßdurchlaß 23, der mit der Bohrung in Verbindung steht.
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Ein Drehmomentsteuerventil 26 der Pumpenverdrängungssteuerung 10 ist innerhalb der Bohrung 19 angeordnet, um den Strömungsmittelfluß in die und aus der Betätigungsvorrichtungskammer 17 zu steuern. Das Drehmomentsteuerventil weist eine Hülse 27 auf, die gleitend innerhalb der Bohrung 19 angeordnet ist, und einen Ventilkolben 29, der gleitend innerhalb der Hülse angeordnet ist. Die Hülse ist betriebsmäßig mechanisch mit dem Kolben 14 durch ein Verbindungsglied 28 gekoppelt, um die Hülse proportional zur Verschiebung der Taummelplatte zu bewegen. Der Ventilkolben und die Hülse sind relativ zueinander beweglich, um einen ersten Zustand einzurichten, der den Auslaßdurchlaß 21 mit dem Steuerdurchlaß 22 durch ringförmige Anschlüsse 31, 32 in der Hülse zu verbinden, während sie den Steuerdurchlaß 22 vom Auslaßdurchlaß 23 durch Blockage eines Paares von Anschlüssen 33 der Hülse blockieren. Der Ventilkolben und die Ventilhülse richten auch einen zweiten Zustand ein, der den Steuerdurchlaß 22 mit dem Auslaßdurchlaß 23 durch die Anschlüsse 33 verbindet, während er die Verbindung zwischen dem Auslaßdurchlaß 21 und dem Steuerdurchlaß 22 durch Blockage des Strömungsmittelflußes durch die Anschlüsse 31, 32 blockiert. Ein neutraler Zustand, der von dem Ventilkolben und der Hülse eingerichtet wird, blockiert die Auslaß-, Steuer- und Austrittsdurchlässe voneinander.
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Eine variable Drehmomentbegrenzungsvorrichtung 34 ist innerhalb eines vergrößerten Abschnittes 36 der Bohrung 19 in axialer Ausrichtung mit dem Drehmomentsteuerventil 26 angeordnet, um eine fernsteuerbare variable elastische Kraft aufzubringen, die den Ventilkolben 29 nach links in einer ersten Richtung vorspannt, um den zweiten Zustand einzurichten. Die Drehmomentbegrenzungsvorrichtung 34 weist ein rohrförmiges Federkrafteinstellglied 37 auf, welche innerhalb des vergrößerten Abschnittes 36 positioniert ist und mit dem Körper 18 durch eine Gewindeverbindung 38 verbunden ist. Ein anderes rohrförmiges Federkrafteinstellglied 39 ist koaxial innerhalb des Einstellgliedes 37 angeordnet und ist einstellbar daran durch eine Gewindeverbindung 40 gesichert. Ein Paar von koaxialen Druckfedern 41, 42 ist zwischen den Einstellgliedern 37, 39 und einem Federhalter 43 angeordnet, der am rechten Ende des Ventilkolbens 29 anliegt, um den Ventilkolben 29 nach links vorzuspannen. Eine Feder 44 ist zwischen einem Federsitz 45, der am linken Ende des Ventilkolbens 29 anliegt, und einem Stopp bzw. Anschlag 46 angeordnet, um den Ventilkolben nach links vorzuspannen. Ein Kolben 47 ist gleitend innerhalb einer Bohrung 48 des Einstellgliedes 39 angeordnet, was eine Steuerkammer 49 definiert. Die Steuerkammer 49 steht kontinuierlich mit einem Einlaßsteueranschluß 50 in Verbindung. Die Feder 42 wirkt als eine Dämpfer- bzw. Kissenfeder und arbeitet mit der Feder 41 zusammen, um eine konstante Drehmomentkurve anzunähern.
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Mittel 51 sind vorgesehen, um hydraulisch die Bewegung der Taummelplatte 12 zur Position mit minimaler Verdrängung zu stoppen, und sie weisen einen Minimalhydraulikflußstopp 52 auf, der sich durch das Einstellglied 39 erstreckt und einstellbar damit durch eine Gewindeverbindung 53 verbunden ist.
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Mittel 56 sind vorgesehen, um eine Kraft gegen den Ventilkolben 29 aufzubringen, und zwar proportional zum Auslaßdruck der Pumpe mit variabler Verdrängung, so daß sich der Ventilkolben nach rechts in einer zweiten Richtung bewegt, und zwar relativ zur Hülse 27, um den ersten Zustand einzurichten, wenn die Steuerkraft die Vorspannkraft überschreitet, die von der Drehmomentbegrenzungsvorrichtung 34 ausgeübt wird. Die Mittel 56 können beispielsweise einen Kolben oder Bolzen 57 aufweisen, der gleitend innerhalb einer Bohrung 58 des Stopps bzw. Anschlags 46 angeordnet ist, wodurch eine Druckkammer 61 definiert wird, die kontinuierlich mit dem Auslaß- bzw. Ableitungsdurchlaß 21 in Verbindung steht. Der Stopp bzw. Anschlag 46 wird einstellbar verschraubbar innerhalb eines offenen Endes der Bohrung 19 gesichert, und dient wie im folgenden beschrieben wird als Mittel 62, um hydraulisch die Bewegung der Taummelplatte zur Position mit maximaler Verdrängung zu stoppen.
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Ein Drucksteuermechanismus 63 mit variablem Rahmen ist als ein Teil der Pumpenverdrängungssteuerung 10 vorgesehen und weist eine Bohrung 64 im Körper 18 auf, weiter den Auslaß- bzw. Ableitungsdurchlaß 21 zur Verbindung des Auslaßdruckes mit der Bohrung 64, einen Steueranschluß 66, der die Bohrung 64 mit der Betätigungsvorrichtungskammer 17 verbindet, und einen Auslaßflußpfad 67, der mit der Bohrung 64 in Verbindung steht. Der Auslaßflußpfad 67 weist den Steuerdurchlaß 22, die Radialanschlüsse 33 in der Hülse 27 und den Auslaßdurchlaß 23 auf. Ein Ventilkolben 68 ist gleitend in der Bohrung 64 angeordnet, wobei eine Kammer 69 in kontinuierlicher Verbindung mit dem Auslaßdurchlaß 21 definiert wird. An seiner linken Position gezeigt richtet der Ventilkolben 68 eine Verbindung zwischen dem Steuerdurchlaß 22 und dem Steueranschluß 66 ein und blockiert die Verbindung zwischen dem Auslaßanschluß 21 und dem Steueranschluß 66. Der Venilkolben 68 ist nach rechts beweglich, und zwar aus der gezeigten Position, um die Verbindung zwischen dem Steuerdurchlaß 22 und dem Steueranschluß 66 zu blockieren, und den Auslaßanschluß 21 mit dem Steueranschluß 66 zu verbinden. Der Ventilkolben 68 wird nach rechts in einer ersten Position durch den Auslaßströmungsmitteldruck in der Kammer 69 vorgespannt, und in einer linken Richtung durch Mittel 71 zur Vorspannung des Ventilkolbens 68 nach links, und zwar mit einer ausreichenden Vorspannkraft, um einen vorbestimmten Rahmendruck einzurichten.
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Die Vorspannmittel 71 weisen eine Federkammer 72 an einem Ende des Ventilkolbens 68 auf, und einen Federmechanismus 73, der in der Federkammer angeordnet ist, um elastisch den Venilkolben in Richtung nach links vorzuspannen. Der Federmechanismus 73 weist einen Federsitz 74 auf, der am Ende des Ventilkolbens 68 anliegt, ein Federkrafteinstellglied 75, welches einstellbar an dem Körper durch eine Gewindeverbindung 76 gesichert bzw. befestigt ist, und ein Paar von Schraubendruckfedern 77, 78, die zwischen dem Federsitz 74 und dem Einstellglied 75 angeordnet sind.
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Die Drucksteuerung 63 mit variablem Rahmen weist auch Mittel 79 auf, um eine fernsteuerbare variable Vorspannkraft gegen den Ventilkolben 68 aufzubringen, so daß der Rahmendruck selektiv ansprechend auf den Empfang eines Drucksignals variiert werden kann, und Mittel 81 zum Aufbringen einer durch Lastdruck erzeugten Vorspannkraft gegen den Ventilkolben 68 in Richtung nach links, so daß der Rahmendruck über dem Druckbetriebsbereich der Pumpe aufrecht erhalten wird.
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Die Mittel 81 weisen eine Bohrung 82 in dem Einstellglied 75 auf, eine Kolbenanordnung 83, die gleitend in der Bohrung 82 definiert ist, wobei eine Lade- bzw. Lastdruckkammer 84 definiert wird, und zwar mit einem Endteil 76, der am Federsitz 74 anliegt, und mit einem Lastdruckanschluß 87, der mit der Lastdruckkammer 84 in Verbindung steht. Die Kolbenanordnung weist einen Kolben 88 auf, der gleitend in der Bohrung 82 angeordnet ist und eine effektive Querschnittsfläche gleich der Querschnittsfläche des Ventilkolbens 68 besitzt, der die Kammer 69 definiert.
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Die Mittel 79 weisen eine Steuerkammer 89 auf, die teilweise von dem Kolben 88 definiert wird, und einen Steueranschluß 91, der mit der Steuerkammer 88 in Verbindung steht. Insbesondere ist die Steuerkammer 88 in diesem Ausführungsbeispiel eine ringförmige Kammer, die zwischen einer Gegenbohrung bzw. -Senkung 92 der Bohrung 82 und einem vergrößerten Teil 93 des Kolbens 88 geformt wird, der gleitend in der Gegenbohrung bzw. -Senkung angeordnet ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die Pumpenverdrängungssteuerung 10 ist im allgemeinen innerhalb einer Pumpe 11 mit variabler Verdrängung vorgesehen, die bei einem lastabfühlenden Hydrauliksystem mit geschlossener Mitte verwendet wird. Die Verdrängung der Pumpe 11 und somit die Flußrate und der Auslaßdruck werden gesteuert entweder durch das Drehmomentsteuerventil 26 oder die Drucksteuerung 71 mit variablem Rahmen, und zwar abhängig von dem Druck und/oder der Flußrate, die von dem mit der Pumpe verbundenen Hydrauliksystem angefordert wird. Wenn der Druck unter einem vorbestimmten hohen Niveau für einen gegebenen Fluß ist, wird die Verdrängung im wesentlichen durch die Rahmendrucksteuerung 71 gesteuert. Wenn der Druck das hohe vorbestimmte Niveau überschreitet, nimmt das Drehmomentsteuerventil 26 die Steuerung der Pumpenverdrängung auf.
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Der Ventilkolben 29 und die Hülse 27 sind im neutralen Zustand gezeigt, in dem die Betätigungsvorrichtungskammer 17 sowohl von den Auslaß- bzw. Ableitungs- als auch Auslaßdurchlässen 21 und 23 blockiert wird. Dies ist eine Voreinstellposition, die von den entgegenwirkenden Kräften der Federn 41 und 44 eingerichtet wird, wenn kein Druck in der Steuerkammer 49 vorhanden ist, wie beispielsweise wenn die Leistungsquelle abgeschaltet wird, die die Pumpe antreibt. In dieser Voreinstellposition bewegt sich die Taummelplatte 12 in eine Position mit mittlerer Verdrängung.
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Im Gebrauch bewegt sich der Kolben 47 nach links, was den Ventilkolben 29 nach links vorspannt, um den zweiten Zustand der Hülse 27 und des Ventilkolbens einzurichten, um den Steuerdurchlaß 22 mit dem Auslaßdurchlaß 23 zu verbinden, sobald die Leistungsquelle gestartet wird und ein Steuerdrucksignal in die Steuerkammer 49 geleitet wird. Normalerweise bewirkt dies, daß sich die Taummelplatte zur Position mit maximaler Verdrängung hin bewegt. Jedoch beginnt der Auslaß- bzw. Ableitungsdruck, der in dem Auslaßanschluß 21 durch die Pumpe erzeugt wird, zu steigen. Wenn der Auslaßdruck ein vorbestimmtes niedriges Niveau erreicht, bewegt der Auslaßdruck in der Kammer 69 den Ventilkolben 68 nach rechts, um den Steuerdruck in die Betätigungsvorrichtungskammer 17 zu leiten bzw. eine Verbindung damit herzustellen. Dies bewegt die Taummelplatte zur Position mit minimaler Verdrängung gegen die Vorspannung der Feder 16. Wenn kein Lastdruck vom Hydrauliksystem in der Betätigungsvorrichtungskammer 84 vorhanden ist, und kein Drucksignal in die Steuerkammer 89 eingegeben wird, widersteht nur der Federmechanismus 73 der Rechtsbewegung des Ventilkolbens 68. Ein vorbestimmter Rahmendruck wird somit durch die Vorspannung der Federn 77, 78 des Federmechanismuses 73 eingerichtet.
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Der vorbestimmte Rahmendruck kann variiert werden durch selektives Leiten eines Drucksignals in die Steuerkammer 89 durch den Steueranschluß 91 von einer entfernten Quelle. Der Druck in der Steuerkammer bringt eine Vorspannkraft auf den Ventilkolben 68 auf, was ihn nach links gegen den Auslaß- bzw. Ableitungsdruck drückt, der von der Kraft erzeugt wird, die auf das Linke Ende des Ventilkolbens 68 wirkt, so daß der Rahmendruck selektiv auf ein anderes Niveau variiert wird, und zwar bestimmt vom Niveau des Drucksignals in der Steuerkammer 89.
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Wenn ein nicht gezeigtes Steuerventil des Hydrauliksystems somit geöffnet wird, um Strömungsmittel an einen Hydraulikzylinder zu leiten, findet einer von zwei unterschiedlichen Vorgängen normalerweise statt. Wenn der Widerstand gegen die Bewegung des Hydraulikyzlinders ausreichend gering ist, sinkt das Niveau des Auslaßdruckes in dem Auslaßdurchlaß 21 und somit in der Steuerkammer 69. Dies gestattet es, daß der Ventilkolben 68 sich nach links bewegt, um die Betätigungsvorrichtungskammer 17 mit dem Auslaßdurchlaßweg 67 zu verbinden, was es der Feder 16 und dem Auslaßdruck in der Federkammer 16a gestattet, die Taummelplatte zur Position mit maximaler Verdrängung zu bewegen. Sobald die von dem System angeforderte Flußrate erfüllt wird, wird sich der Ventilkolben 68 in eine Position bewegen, um die Taummelplatte auf einer Verdrängungseinstellung zu halten, wie sie von den entgegenwirkenden Kräften bestimmt wird, die auf den Kolben 68 wirken.
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Wenn im Gegensatz dazu eine äußere Kraft der Bewegung des Hydraulikzylinders widersteht, so daß ein Lastdruck erzeugt wird und in die Kammer 84 übertragen wird, wird eine zusätzliche durch Lastdruck eingeleitete Kraft gegen den Ventilkolben 68 ausgeübt, was den Ventilkolben 68 nach links gegen die Kraft vorspannt, die auf den Ventilkolben 68 durch den Auslaß- bzw. Ableitungsdruck in der Steuerkammer 74 ausgeübt wird, so daß der Ventilkolben 68 die Betätigungsvorrichtungskammer 17 mit dem Auslaßdurchlaßweg 67 verbindet, um die Pumpenverdrängung zu steigern, und somit den Auslaßdruck. Sobald der Auslaßdruck größer als der Lastdruck wird, und zwar um einen Wert gleich dem Rahmendruck, gleichen sich die entgegengesetzt wirkenden Kräfte aus, die auf den Ventilkolben 68 wirken, so daß die Taummelplatte gesteuert wird, um den Rahmendruck beizubehalten.
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Sollte die Anforderung nach Strömungsmittel ein solches Niveau erreichen, daß der Auslaßdruck das vorbestimmte hohe Niveau überschreitet, wird die auf den Ventilkolben 29 durch den Auslaßdruck in der Steuerkammer 58 ausgeübte Kraft ausreichend, um den Ventilkolben 29 nach rechts gegen die Vorspannung der Drehmomentbegrenzungsvorrichtung 34 zu bewegen, um den zweiten Zustand des Ventilkolbens und der Hülse 22 einzurichten. Dies blockiert die Verbindung zwischen dem Steuerdurchlaß 22 und dem Auslaßdurchlaß 23 und verbindet einen Steuerdruck durch den Steueranschluß 66 mit der Betätigungsvorrichtungskammer 17, was bewirkt, daß die Taummelplatte sich zur Einstellung mit minimaler Verdrängung bewegt, um die Drehmomentausgangsgröße der Pumpe zu verringern. In extremen Situationen wird die Rechtsbewegung des Ventilkolbens 29 fortfahren, bis der Kolben 47 das Minimalstoppglied 52 berührt, und die Hülse 22 eine Position erreicht, die den Neutralzustand einrichtet, was die Auslaß- bzw. Ableitungs-, Steuer- und Auslaßdurchlässe voneinander blockiert bzw. abschneidet. Dies stoppt die Bewegung der Taummelplatte zur minimalen Verschiebung, bevor sie den nicht gezeigten mechanischen Stopp bzw. Anschlag berührt, und richtet dadurch hydraulisch die Flußeinstellung mit minimaler Verdrängung der Taummelplatte ein. Die Einstellung mit minimaler Verdrängung kann eingestellt werden durch axiale Einstellung des Stopp- bzw. Anschlagglieds 52.
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Das vorbestimmte hohe Niveau, auf dem die Taummelplatte beginnt, sich zur Einstellung mit minimaler Verdrängung zu bewegen, kann variiert werden durch Wechseln bzw. Veränderung des Niveaus des Steuerströmungsmitteldruckes in der Steuerkammer 49 in irgendeiner wohlbekannten Weise. Die Steigerung des Druckes in der Steuerkammer 49 steigert das vorbestimmte hohe Niveau, während das Senken des Druckes das vorbestimmte hohe Niveau absenkt.
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Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.
