DE19952591A1 - Hydrauliksystem - Google Patents

Abstract

Die Position der beweglichen Hydraulikelemente soll auf einfache Weise mit geringen Kosten und zuverlässig erfaßt werden. DOLLAR A Hierzu ist zur Erfassung der Position mindestens zweier Hydraulikelemente ein diesen Hydraulikelementen zugeordneter Sensor in einer Hydraulikleitung des Hydrauliksystems angeordnet.

Description

In bestimmten Fällen wird die Bewegung von beweglichen mechanischen Teilen mittels Hydrauliksystemen realisiert; insbesondere werden solche mechanischen Teile hydraulisch bewegt, für deren Bewegung eine hohe Betätigungskraft erforder­ lich ist (bsp. im Kfz-Bereich bei der Betätigung des Verdecks), für die nur ein gerin­ ges Einbauvolumen zur Verfügung steht bzw. die nur schwierig eingebaut werden können und für die Explosionsschutzmaßnahmen getroffen werden müssen.

Hydrauliksysteme bestehen aus einer Hydraulikpumpe zur Bereitstellung von Drüc­ ken und einer bestimmten Fördermenge an Hydraulikmedium (bsp. Wasser oder Öl), und einem Verteilungssystem aus mit dem Hydraulikmedium gefüllten Hydrauliklei­ tungen, Verteilern und Hydraulikventilen zur gezielten Umleitung des Hydraulikme­ diums. An die Hydraulikleitungen sind bewegliche Hydraulikelemente angeschlossen (bsp. Hydraulikzylinder), die in der Regel aus einer beweglichen Komponente (bsp. einem Kolben), einer Buchse, einem als Kammer bezeichneten Volumen zwischen der beweglichen Komponente und der Buchse, einer Dichtung und einer Reibbremse bestehen. Zur Ansteuerung der Hydraulikelemente werden die Hydraulikventile mit elektrischen Signalen (Logiksignalen) beaufschlagt, wodurch die Druckverteilung geändert wird, so daß sich die beweglichen Komponenten der Hydraulikelemente in die gewünschte Richtung bewegen.

Oftmals werden die Hydraulikelemente differentiell angesteuert, d. h. ein Teilbereich der Hydraulikelemente wird ständig mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt; hier­ durch wird eine Vorzugslage des Hydraulikelements festgelegt, so daß zur Ansteue­ rung des Hydraulikelements ein Logiksignal genügt.

Zur Steuerung und/oder Kontrolle der Bewegungsabläufe bei der Bewegung der beweglichen mechanischen Teile sollten die aktuellen Positionen der bewegten me­ chanischen Teile und daher auch die aktuellen Positionen der diese Bewegung ver­ ursachenden Hydraulikelemente bekannt sein. Zur Erfassung der aktuellen Position der Hydraulikelemente werden an die Hydraulikelemente (insbesondere an die be­ weglichen Komponenten der Hydraulikelemente) Sensoren angeordnet, die bsp. als Endschalter (diese werden beim Erreichen und/oder beim Überfahren einer be­ stimmten Position betätigt) oder als Wegaufnehmer (bsp. als kapazitiver, magneti­ scher oder magnetostriktiver Wegaufnehmer) ausgebildet sein können. Da die Sen­ soren an den Hydraulikelementen bzw. den beweglichen Komponenten der Hydrau­ likelemente angeordnet sind, muß zur Kenntnis der Position des bewegten mechani­ schen Teils mindestens ein Sensor für jedes Hydraulikelement und damit für das Hydrauliksystem eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen werden. Hiermit verbunden sind jedoch ein hoher Aufwand, hohe Kosten, ein hoher Platzbedarf (großer Bau­ raum) und eine hohe Störanfälligkeit (bsp. aufgrund der leichten Verschmutzung der Sensoren).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Hydrauliksystem mit vorteil­ haften Eigenschaften bezüglich der Zuverlässigkeit, der Kosten und des Herstel­ lungsaufwands anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentan­ sprüche.

Beim vorgestellten Hydrauliksystem ist zum Erfassen der Position (und damit der Bewegung) von mehreren bewegten Hydraulikelementen ein in einer Hydrauliklei­ tung des Hydrauliksystems angeordneter Sensor vorgesehen; dieser Sensor ist in einer solchen Hydraulikleitung angeordnet, in der bei jeder Betätigung eines beliebi­ gen dem Sensor zugeordneten Hydraulikelements (d. h. bei einer Bewegung des Hydraulikelements in jeder der für dieses Hydraulikelement vorgesehenen Bewe­ gungsrichtung) ein Durchfluß von Hydraulikmedium stattfindet. Der Sensor erfaßt die aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements hervorgerufene Änderung im Hydraulikmedium und liefert abhängig davon ein (vorzugsweise digitales) Ausgangs­ signal, aus dem von einer Steuereinheit (ggf. mit Kenntnis der von der Steuereinheit vorgegebenen Ansteuerrichtung für das Hydraulikelement) die Auslenkung und da­ mit die Position des Hydraulikelements und damit ggf. auch des bewegten mechani­ schen Teils ermittelt wird.

Als Sensor zum Erfassen der Position der diesem zugeordneten Hydraulikelemente kann bsp. ein Durchflußmesser oder ein Druckmesser eingesetzt werden:

• - Bei einem Durchflußmesser (einer Turbine) als Sensor wird die sich aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements ergebende Durchflußänderung an Hydraulik­ medium im Hydrauliksystem und damit auch in der den Durchflußmesser enthal­ tenden Hydraulikleitung ermittelt und bei Kenntnis des Durchflusses (des durch­ geflossenen Volumens) an Hydraulikmedium in dieser Hydraulikleitung die Ge­ schwindigkeit des Hydraulikelements und hieraus durch Integration die Position des bewegten Hydraulikelements bestimmt. Hierbei muß entweder die Ansteu­ errichtung für das Hydraulikelement bekannt sein oder der Durchflußmesser muß die Drehrichtung erkennen können. Um die Position mehrerer gleichzeitig angesteuerter Hydraulikelemente erfassen zu können, muß eine der gleichzeitig angesteuerten Hydraulikelemente entsprechende Anzahl an Durchflußmessern vorgesehen werden, d. h. jedem dieser gleichzeitig angesteuerten Hydraulikele­ mente ein Durchflußmesser zugeordnet werden; falls jedoch die Information über die Endlagen der Hydraulikelemente genügt (Endlagenerkennung), wird auch bei gleichzeitiger Ansteuerung mehrerer Hydraulikelemente nur ein einzi­ ger Durchflußmesser benötigt. Falls die Hydraulikelemente differentiell ange­ steuert werden, wird der Durchflußmesser vorzugsweise in der für das Anlegen des Versorgungsdrucks vorgesehenen gemeinsamen Hydraulikleitung angeord­ net; falls die Hydraulikelemente nicht differentiell angesteuert werden, wird der Durchflußmesser vorzugsweise in der direkt von der Hydraulikpumpe wegfüh­ renden Hydraulikleitung angeordnet. Falls ein zusätzlicher Durchflußmesser in der zum Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium zurückführenden Hydrauliklei­ tung angeordnet wird, kann darüber hinaus ein Verlust an Hydraulikmedium im Hydrauliksystem detektiert werden, d. h. es kann ein Leckageerkennung reali­ siert werden.
• - Bei einem Druckmesser als Sensor wird die sich aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements ergebende Druckänderung im Hydrauliksystem bzw. in der den Druckmesser enthaltenden Hydraulikleitung ermittelt und durch Auswertung der sich aufgrund der Druckänderung in der Hydraulikleitung ergebenden Druckpulse die Position des bewegten Hydraulikelements bestimmt.

Die Positionsbestimmung der bewegten Hydraulikelemente kann ebenfalls mit­ tels Laufzeitmessungen von Reflexionssignalen bzw. Echosignalen durchgeführt werden. Hierzu wird durch ein geeignetes druckerzeugendes Element (Aktuator) in einer der Hydraulikleitungen (an einer beliebigen Stelle in der Druckseite des Hydrauliksystems) ein Sendepuls erzeugt (bsp. wird bei einem Druck von 200 bar in den Hydraulikleitungen eine Druckspitze von 10 bar erzeugt), der eine sich im Hydraulikmedium über alle Hydraulikleitungen mit einer vom Hydraulik­ medium abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit (bsp. ca. 1000 m/s bei einem Hydrauliköl als Hydraulikmedium) ausbreitende akustische Welle generiert. Über eine Laufzeitmessung dieser akustischen Welle in den Hydraulikleitungen (d. h. durch Detektion des Echosignals als Zeitdifferenz zwischen Aussenden des Sen­ depulses und Eintreffen des Reflexionssignals) kann der Betätigungsweg und damit die Position der Hydraulikelemente erfaßt werden. Da Reflexionen jedoch außer an den beweglichen Flächen der Hydraulikelemente auch an vielen ande­ ren Stellen des Hydrauliksystems auftreten (bsp. an Kanten, starken Biegungen und Enden der Hydraulikleitungen), muß eine Selektion der Reflexionssignale vorgenommen werden: hierzu wird in Abhängigkeit der bekannten Leitungslän­ gen der Hydraulikleitungen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hydrau­ likmediums ein Zeitfenster definiert, in welchem das sich aufgrund der Bewe­ gung der Hydraulikelemente ergebende Reflexionssignal erwartet wird. Die Sen­ depulse werden zyklisch ausgesendet (Periodendauer bsp. 10 ms), vorzugsweise im Ultraschallbereich, wobei die Pulsbreite durch die gewünschte Wegauflösung bei der Bewegung des Hydraulikelements vorgegeben wird (Pulsbreite bsp. 5 bis 10 µs). Durch Auswertung mehrerer aufeinanderfolgender Echosignale können zeitliche Mittelwerte gebildet und hierdurch stochastische Störungen unter­ drückt sowie nicht-interessierende Reflexionen eliminiert werden. Vorteilhafter­ weise wird der als Druckmesser fungierende Sensor auch zur Erzeugung der Sendepulse eingesetzt, d. h. die Generierung der akustischen Wellen und die De­ tektion der Echosignale (Druckmessung) erfolgt mit dem gleichen Sensor; hier­ für kann bsp. ein piezokeramischer Sensor (bsp. eine piezokeramische Scheibe) vorgesehen werden, der beim Anlegen eines Spannungspulses durch mechani­ sche Verformung eine Druckspitze erzeugt und bei dem eintreffende Druckrefle­ xionen zu einer Ladungstrennung führen, die mit Hilfe einer geeigneten Auswer­ teeinheit (bsp. mittels hochauflösenden A/D-Wandlern und digitalen Signalpro­ zessoren) detektiert werden kann.

Weiterhin kann zusätzlich eine Laufzeitmessung bei einer definiert abgeschlos­ senen Hydraulikleitung durchgeführt werden (bsp. in bestimmten zeitlichen Ab­ ständen) und diese als Referenzmessung zur Kalibrierung der sich aufgrund der Bewegung der Hydraulikelemente ergebenden Reflexionssignale herangezogen werden:

Beim vorgestellten Hydrauliksystem kann vorteilhafterweise die Position bzw. Bewe­ gung mehrerer bewegter Hydraulikelemente mittels eines einzigen Sensors auf ein­ fache Weise, mit geringen Kosten und geringem Platzbedarf, mit hoher Auflösung und aufgrund der digitalen Signalerzeugung bzw. Signalverarbeitung mit hoher Stör­ unempfindlichkeit zuverlässig erfaßt werden.

Das System soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammen­ hang mit der Zeichnung beschrieben werden.

Hierzu ist in der Figur ein Prinzipschaltbild eines Hydrauliksystems dargestellt.

Gemäß der Figur besteht das Hydrauliksystem 1 aus der von einem Elektromotor 2 angetriebenen Hydraulikpumpe 3 zur Bereitstellung von Drücken und einer be­ stimmten Fördermenge an Hydraulikmedium 4, aus einem Verteilungssystem 5 mit Hydraulikleitungen 6, in denen bsp. ein Hydrauliköl als Hydraulikmedium 4 transpor­ tiert wird, mit Verteilern 7 (Abzweigern) und mit Hydraulikventilen 8 zur gezielten Umleitung des Hydraulikmediums 4 und damit zur gezielten Ansteuerung mehrerer bsp. als Hydraulikzylinder ausgebildeten beweglichen Hydraulikelemente 9. Das Hydraulikmedium 4 ist in einem bsp. als Tank ausgebildeten Vorratsbehälter 15 auf­ bewahrt und wird vom Tank 15 über, die Hydraulikpumpe 3 und die Hydraulikleitun­ gen 17, 6 an die beweglichen Hydraulikelemente 9 transportiert und von den be­ weglichen Hydraulikelementen 9 über die Hydraulikleitungen 6 und die Rückleitung 16 wieder dem Tank 15 zugeführt. Die Hydraulikzylinder 9 bestehen bsp. aus einer beweglichen Komponente 10 (bsp. einem Kolben), einer Buchse 11, einer An­ schlagdrossel, einer Dichtung 12 und einer Reibbremse. Die Hydraulikzylinder 9 werden differentiell angesteuert, indem ein Teilbereich 13 der Hydraulikzylinder 9 mit der kleineren wirksamen Fläche ständig an die als gemeinsame Versorgungslei­ tung ausgebildete Hydraulikleitung 17 angeschlossen ist und somit ständig mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt wird, wodurch die eingefahrene Position als Vor­ zugslage der Hydraulikzylinder 9 festgelegt wird. Zur Ansteuerung der Hydraulikzy­ linder 9 werden die Hydraulikventile 8 mit elektrischen Signalen (Logiksignalen) be­ aufschlagt, wodurch die Druckverteilung am Hydraulikzylinder 9 geändert wird (ins­ besondere die Druckverteilung zwischen dem Teilbereich 13 der Hydraulikzylinder 9 mit der kleineren wirksamen Fläche und dem Teilbereich 14 der Hydraulikzylinder 9 mit der größeren wirksamen Fläche) und der Hydraulikzylinder 9 somit in die ge­ wünschte Richtung bewegt wird; insbesondere werden die Hydraulikzylinder 9 beim Beaufschlagen der Hydraulikventile 8 mit Steuersignalen aus der Vorzugslage aus­ gefahren und bei Wegnahme der Steuersignale wieder in die Vorzugslage eingefah­ ren.

Für mehrere bewegliche Hydraulikzylinder 9 ist ein als Durchflußmesser ausgebilde­ ter Sensor 18 vorgesehen, der in der gemeinsamen Versorgungsleitung 17 angeord­ net ist. Bei einer Bewegung der Hydraulikzylinder 9 ändert sich die Druckverteilung im Hydrauliksystem 1 bzw. in den Hydraulikleitungen 17, 6, so daß der Durchfluß­ messer 18 durch das strömende Hydraulikmedium 4 in Rotation versetzt wird. Das Ausgangssignal des Durchflußmessers 18 (das Sensorsignal) wird bsp. durch eine Auswerteeinheit oder Steuereinheit ausgewertet und hieraus die Bewegung der Hy­ draulikzylinder 9 bestimmt. Bsp. kann der Durchflußmesser 18 aufgrund seiner Drehrichtung die Bewegungsrichtung des Hydraulikmediums 4 erfassen, woraus von der Auswerteeinheit oder Steuereinheit auch die Bewegungsrichtung der Hydrau­ likzylinder 9 bestimmt werden kann.

Beispielsweise ist zur Betätigung des Verdecks eines Kraftfahrzeugs ein Hydraulik­ system 1 mit 7 Hydraulikzylindern 9 zur Betätigung unterschiedlicher mechanisch beweglicher Teile (Heckdeckel, Kofferraumklappe, Kofferraum etc.), 7 Hydraulikven­ tilen 8 (Magnetventilen) zur sukzessiven Ansteuerung der Hydraulikzylinder 9, eine als Kolbenpumpe ausgebildete Hydraulikpumpe 3 mit einem Maximaldruck von 350 bar und einem als Hydrauliköl ausgebildeten und in Hydraulikleitungen 6 fließenden Hydraulikmedium 4 vorgesehen. Die Hydraulikzylinder 9 besitzen im zweiten Teilbe­ reich 14 einen Durchmesser von 2 cm und im ersten Teilbereich 14 einen Durch­ messer von 1 cm sowie eine Länge von 30 cm. Die Hydraulikzylinder 9 besitzen ein Fassungsvermögen von 100 ml Hydrauliköl 4, wobei für alle Hydraulikzylinder 9 des Hydrauliksystems 1 insgesamt ca. 450-500 ml Hydrauliköl 4 vorgesehen ist. Zur Erfassung der Bewegung und der Bewegungsrichtung der Hydraulikzylinder 9 sind zwei Durchflußmesser als Sensoren 18 vorgesehen, wobei ein Durchflußmesser 18 in der gemeinsamen Versorgungsleitung 17 unmittelbar nach der Hydraulikpumpe 3 und ein Durchflußmesser 18 in der zum Vorratsbehälter 15 für das Hydrauliköl 4 führenden Rückleitung 16 angeordnet ist.

Claims (6)

1. Hydrauliksystem (1) zur Ansteuerung von beweglichen Hydraulikelementen (9), mit einer Hydraulikpumpe (3) und einem Hydraulikleitungen (6) aufweisenden Verteilungssystem (5), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Position mindestens zweier Hydraulikelemente (9) ein Sensor (18) in einer Hydraulikleitung (6) angeordnet ist.

2. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich (13) der Hydraulikelemente (9) über eine gemeinsame Hydraulikleitung (17) permanent mit dem durch die Hydraulikpumpe (3) bereitgestellten Versorgungs­ druck beaufschlagt ist.

3. Hydrauliksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen­ sor (18) als Durchflußmesser ausgebildet ist, und daß der Durchflußmesser (18) in der gemeinsamen Hydraulikleitung (17) angeordnet ist.

4. Hydrauliksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen­ sor (18) als Druckmesser ausgebildet ist.

5. Hydrauliksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hy­ draulikleitung (6) ein druckerzeugendes Element angeordnet ist, und daß der Druckmesser (18) die Reflexionssignale der vom druckerzeugenden Element ge­ nerierten akustischen Wellen detektiert.

6. Hydrauliksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezo­ keramisches Element gleichzeitig als druckerzeugendes Element und als Druckmesser vorgesehen ist.