DE2336430A1

DE2336430A1 - Hydraulisches steuerungssystem

Info

Publication number: DE2336430A1
Application number: DE19732336430
Authority: DE
Inventors: Glenn Edward Ferre; Maurice Flavian Franz; Kenneth Ralph Lohbauer; William Don Mcmillan
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1972-07-17
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: JPS5918558B2; JPS504601A; BE802395A; BR7305193D0; FR2193424A5; DE2336430C2; US3841795A; GB1436613A

Description

Caterpillar Tractor Co.
Peoria, 111., U.S.A.

Hydraulisches Steuerungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Steuerungssysteme und betrifft insbesondere ein System mit mehreren Pumpen veränderbarer Verdrängung und einer Einrichtung zur automatischen Einstellung der Pumpenverdrängung.

Viele hydraulisch betätigte Werkzeuge, u/ie z.B. ein hydraulischer Bagger, verwenden normalerweise mehrere Pumpen mit veränderbarer Verdrängung zur Förderung der hydrau-

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lischen Druckflüssigkeit, die für den Antrieb einer Anzahl von (motoren benötigt wird, die zur Betätigung des Baggergefäßes oder der Baggerschaufel verwendet werden. Ein Hydraulikkreis für einen solchen Bagger ist beispielsweise in der U.S.-Patentanmeldung IMr. 207,027 vom 13. Dezember 1971 (Bridwell et al) dargestellt und beschrieben.

Für solche Systeme werden zahlreiche unterschiedliche Kreise eingesetzt, in welchen ein vollständig verschiedener Kreis oder ein gesonderter Kreis für jeden filotor eingesetzt wird oder verschiedenartige Einrichtungen zur Ko^binierung der Strömung von mehreren Pumpen zu einem einzelnen oder mehreren hydraulischen ffiotoren verwendet werden. Die hydraulische Pumpe wird bei allen derartigen Systemen normalerweise durch einen einzelnen Hauptantrieb, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Eine Schwierigkeit besteht bei diesen Anordnungen darin, daß jeder getrennte filotcr und jede getrennte Pumpe die gesamte Abgabeleistung des Antriebsmotors aufnehmen könner, Dies kann bei einer Belastung von zwei oder mehreren if.otoren oder Pumpen dazu führen, daß der Antriebsmotor gedrosselt wird oder sich sogar festläuft. -

Um dieses Problem zu lösen, wurden bereits mehrere Einrichtungen vorgeschlagen, mit welchen der Ausgang der

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Pumpen entweder in Abhängigkeit von der Belastung des Antriebsmotors oder in Abhängigkeit der auf das Werkzeug selbst einwirkenden Belastung eingestellt werden kann.

Einer dieser Vorschläge ist in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 68,317 (Habiger et al) vom 31. August 1970 beschrieben. Dieses System ist bekannt als ein Untergeschwindigkeitsventil, u/elches auf die Geschwindigkeit der die Pumpen antreibenden maschine anspricht, um den Ausgang der Pumpen einzustellen. Dieses System soll nach der Theorie so funktionieren, da3 eine an den Antriebsmotor angelegte Belastung zu einem Drehzahlabfall des iVlotors führt. Die Steuereinrichtung soll dann, in Abhängigkeit von der abnehmenden Drehzahl die Pumpenausgänge auf einen geringeren UJert einstellen, um den GeschiuincTigkeitsverlust des ffiotors auszugleichen und den Leistungsausgang der Pumpe an die abgegebene Motorleistung anzupassen. Ein Nachteil derartiger Systeme besteht jedoch darin, daß die Trägheit des Antriebsmotors eine Verringerung der Antriebsdrehzahl verzögert, so daß das Untergeschujindigkeitsventil nicht schnell genug auf einen Spitzendruck anspricht.

Es soll nun beispielsweise angenommen werden, daß bei einem Bagger mit einem oben beschriebenen Kreis die Druckflüssigkeit von zwei Pumpen kombiniert wird, um den Ausleger zu bewegen. Unter solchen Betriebsbedingungen führt

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die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zum Ausleger-Zylinder zu einem schnellen Druckaufbau, u/elcher bei voller Verdrängung der zu/ei Pumpen mit veränderbarer Verdrängung die vom Antriebsmotor abgegebene Leistung übersteigt. Die Trägheit des Antriebsmotors führt zu einer Verzögerung der Drehzahlverringerung, so daß das Untergeschuiindigkeitsventil nicht unverzüglich anspricht.

Da der Ausleger und das von diesem getragene Gewicht schnell beschleunigt werden, wenn eine Druckspitze in dem Kreis auftritt, besitzt also der Ausleger die Neigung, die Pumpe zu überholen bzw. zu überlaufen, so daß der Druck in dem System abzufallen beginnt. Gleichzeitig damit beginnt die Drehzahlverringerung des Antriebsmotors, die eine Druckdifferenz entlang der Untergeschwindigkeitsöffnung erzeugt, so daß das Untergeschwindigkeitsventil anspricht, um eine Verringerung der Pumpenverdrängung einzuleiten. Diese Verringerung der Pumpenverdrängung erschwert die Situation der Druckverringerung, weil sie eine Verringerung der Auslegergeschwindigkeit zuläßt.

Aufgrund der üblichen Frequenz des Auslegersystems und der sich ändernden Pumpenverdrängungen infolge des Ansprechvermögens der Untergeschwindigkeitssteuerung, welche etwa 90 phasenverschoben gegenüber der Druckbedingung in dem

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System ist, wird aina rythmischs Schwingung hervorgerufen, wobei der Ausleger vorspringt und dann verzögert uiird. U/eil die Antriebsgaschwindigkait ansteigt, sobald die Verdrängung der Pumpe verringert wird und der Druck in dem System abnimmt, kehrt die Pumpe in die Stellung der vollen Verdrängung zurück, und es tritt eine andere schnell einsetzende Bewegung des Auslegers auf. Das um 90 phasenverschobene Ansprechen der Untergeschwindigkaits-Leistungssteuerung trägt zur üblichen Frequenz dieser Maschine bei, so daß die unberechenbare Auslegerbewegung uieitergeht.

Einen anderen liieg zur Lösung des Problems der Leistungs-Überlastung zeigt die U.S.-Patentanmeldung 127,738 (Busby et al) mit der Bezeichnung "Summing Valve Arrangement" (Summierventilanordnung). Die Summierventilanordnung besitzt eine Einrichtung, die auf die Summe der durch die Belastung an den Pumpen veränderbarer Verdrängung auftretenden Drücke anspricht, um ein Steuerventil einzustellen, welches die Verdrängung der Pumpen steuert. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß sie hauptsächlich auf den Belastungsdruck der Pumpen anspricht und nicht auf die auf den Antrieb wirkende Belastung. Ein derartiges System wird also empfindlicher für eine Belastung der Pumpe und weniger empfindlich für

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die tatsächliche Belastung des Antriebes.

Die Erfindung bezweckt deshalb hauptsächlich, eine Einrichtung zur Leistungssteuerung zu schaffen, bei deren Betrieb die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden sind.

Ein u/eiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Leistungssteuerung für hydraulische Systeme mit mehreren Pumpen veränderbarer Verdrängung zu schaffen, welche sowohl auf den Ausgang der Pumpen,als auch auf den Ausgang des Hauptantriebes für die Pgmpen anspricht, um die Leistung oder Verdrängung der Pumpen in geeigneter UJeise so einzustellen, daß sie an die optimale Leistung angepaßt sind.

Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung für hydraulische Steuersysteme mit mehreren Pumpen veränderbarer Verdrängung ist derart aufgebaut, daß es die Pumpenverdrängung in Abhängigkeit von der Belastung am Antriebsmotor und in Abhängigkeit von der Belastung an den Pumpen wirksam verändert. Die Erfindung eignet sich besonders für hydraulische Leistungssysteme, bei denen die Pumpen mit veränderbarer Verdrängung zur Betätigung eines Werkzeuges dienen, wobei die erfindungsgemäSe Steuereinrichtung selbsttätig

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die Pumpenverdrängung auf die Ausgangsleistung des die Pumpen.des Systems antreibenden Hauptantriebes einstellt.

Das erfindungsgemäße Steuersystem besitzt bei einer bevorzugten Ausgestaltung eine erste, auf dia Geschwindigkeit des Hauptantriebes ansprechende Ventileinrichtung zur Übertragung eines Flüssigkeitsdrucksignales an eine Servo-Stauereinrichtung zur Einstallung der Pumpenuerdrängung. Eine zweite Ventileinrichtung spricht erfindungsgemäß auf den Ausgangsdruck dar Pumpen variabler Verdrängung an, um dia geschu/indigkaitsabhängige Einrichtung u/ährend vorübergehend auftretender Überlast-Bedingungen zu überlagern.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergaben sich aus den Ansprüchen, sowie aus dar nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welchen dia Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beispielsweise erläutert und dargestellt ist.

Die einzige Zaichnungsfigur zeigt in schematischer Darstellung ein mit der "erfindungsgemäßen· Steuerung ausgsrüstetas hydraulisches System.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein leistungsbsgrenzendes Steuersystem für die Verdrängung einer Pumpe in Verbindung mit einem nur teilweise dargestellten lilahrpumpan-Steuerkreis

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eines Werkzeuges oder Gerätes. Der UJerkzeug-Steuerkreis ist von der Art, wie er in einem Gerät, beispielsweise einem hydraulischen Bagger verwendet wird, in welchem mehrere hydraulische Motoren in Kombination, einzeln und/ oder gleichzeitig für die Betätigung eines Werkzeuges verwandet werden.

Das Werkzeug-Steuersystem u/eist mehrere Pumpen 10 und 11 mit veränderbarer Verdrängung und eine PumpB 12 mit unveränderlicher Verdrängung auf, welche alle von einem geeigneten Hauptantrieb, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine 13 angetrieben werden. 3ede Pumpe saugt Flüssigkeit aus einem Sammelbehälter oder Sumpf 14 und leitet diese Flüssigkeit unter Druck durch die jeweils zugehörigen Förderleitungen 15, 16 und 17.

3ede der Pumpen 10 und 11 mit veränderbarer Verdrängung ist mit einer konventionellen Servo-Steuerung 18 und 19 versehen, welche auf ein Drucksignal ansprechen, um die Verdrängung der Pumpen 10 und 11 zu verändern.

Das Steuersystem zur Förderung von Steuer-Druckflüssigkeit zur Betätigung der Servo-Steuerungen 18 und 19 weist eine unveränderliche Verdrängerpumpe 20 auf, die unmittelbar vom Hauptantrieb 13 angetrieben wird und Flüssigkeit vom Sammelbehälter 14 ansaugt und der allgemein mit 21 be-

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zeichneten Untergeschwindigkeits-Steuerung der Pumpanverdrängung zuleitet. Die Einrichtung 21 für die Unterge- -schwindigkeitssteuerung ist won der in der oben erwähnten U.S.-Patentanmeldung No. 68,317 beschriebenen Art.

Das Untergeschwindigkeitsuantil 21 arbeitet in der UJeise, daß es auf eine Verringerung der Geschwindigkeit der Pumpe 20 anspricht, welche sich infolge einer durch Überlastung oder irgendeinen anderen Grund verursachten Verringerung der Antriebsgeschtuindigkeit ergibt» Die Ausgangsströmung von dar Pumpe 20 fließt durch eine Öffnung 22, welche einen Druckunterschied erzeugt, der über Leitungen 24 und 25 auf entgegengesetzten Enden eines Ventils einwirkt. Die Druckdifferenz ist eine Funktion der Flüssigkeitsströmung, die eine Funktion der Antriebs-Pilaschinengeschwindigkeit ist. £j.ne v/orbestimmte Änderung in einem Druckunterschied über die Öffnung 22 bewegt das Ventil in aine offene Stellung, in welcher über eine Leitung 26, quer durch das Ventil 23, über eine von diesem abgehende Leitung 27, ein Uiechselventil 28 und Zweigleitungen 29 und 30 eine Druckverbindung von der Steuerpumpe 20 zu dan Servo-Steuereinrichtungen 18 und 19 der Pumpen 10 und 11 besteht. Sobald die Belastung der Maschine aufgehoben ist und die fflaschinengeschwindigke'it wieder ihre normale Einstellung erreicht,

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stellt die zunehmende Strömung durch die Öffnung 22 den Druckunterschied über dem Ventil 23 mieder her, so daß dieses in seine dargestellte geschlossene Stellung zurückkehrt und somit zuläßt, daß die Pumpen 10 und 11 mieder in einen Betriebszustand mit voller Verdrängung zurückkehren.

Erfindungsgemäß gelangt ständig Steuerdruck oder Flüssigkeit von der Pumpe 20 durch das Untergeschwindigkeitsventil 21 und fließt über eine Zuführungsleitung 31 zu einem allgemein mit 32 bezeichneten Summierventil. Das Summierventil ist beispielsweise von der in der oben ermähnten U.S.-Anmeldung No. 127,738 dargestellten und beschriebenen Art. Die Steuereinrichtung 32 zur Drucksummierung meist ein Ventilglied oder einen Schieber 33 auf, welches normalerweise in seine Sperrstellung vorgespannt ist, jedoch auf eine durch Druck in einer der Leitungen 15, 16 und entwickelte und über Leitungen 34, 35 und 36 und Kolben 37, 38 und 39 auf den Schieber 33 wirkende Kraft anspricht. Wenn die Summe der auf die Kolben 37, 38 und 39 u/irkenden Kräfte sich einem vorbestimmten liiert nähert oder einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Schieber 33 verstellt, um über das UJechselventil 23 und die Leitungen 29 und 30 eine Verbindung zwischen der Leitung 31 und den Steuereinrichtungen 18 und 19 herzustellen, so daß die Ventile verstellt werden und die Pumpen 11 und 10 durch Hubvar-

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stellung auf eine geringere Verdrängung eingestellt warden. Der über die Leitungen 35, 36 und 34 abgetastete Druck ist eine Funktion der Belastungen an den Pumpen 10, 11 und 12. Ein Druckbegrenzungsventil 40 in der Leitung 31 schützt die Leitung gegen Überdrücke und sorgt für die Aufrechterhaltung eines nahezu konstanten Druckpegels hinter der Öffnung 22. Der Druck der Pumpe 12 kann vernachlässigt werden, da er nur einen unwesentlichen Teil der Gesamtbelastung ausmacht, oder da er so eingestellt ist, daß seine Belastung die Gesamtbelastung nicht beeinflußt.

Das gesamte System ist so eingestellt, daß die Verdrängung der Pumpen anfänglich durch dia Untergeschujindigkeitssteuereinrichtung 21 gesteuert wird, bis schlagartig einsetzende Druckspitzen in dem System auftreten. Zu diesem Zeitpunkt ujird die Steuerung von der druckabhängigen Drucksummier-Steuereinrichtung 32 übernommen, welche eine Signalverbindung zu den Steuereinrichtungen 18 und 19 zur Steuerung der Pumpenverdrängung herstellt und die Verdrängung verringert und an die Belastungsbedingungen anpaßt.

Unter diesen Spitzendruck-Bedingungen tastet das Summiarventil den Druck verzb'gerungsfrei ab und spricht sofort an, um die Verdrängung der Pumpen 10 und 11 zu verringern und

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einen zu großen Leistungsabfluß am Motor zu steuern oder zu verhindern. Das Summierventil ist so eingestellt, daß es auf einen höheren Druck und daher auf eine größere Leistung anspricht als das Untergeschu/indigkeitsventil llienn die Druckbedingung und der Leistungsabfluß oder die Leistungsabgabe für einen längeren Zeitraum fortbestehen, nimmt also das Untergeschiuindigkeitsventil die Steuerung bei einem etu/as geringeren Leistungsabfluß auf, und das Signal wird dann von der Untergeschiuindigkeitsventileinrichtung 21 über die Leitung 27 und das lUechselventil 28 geleitet, um die Steuerung der Pumpenverdrängung aufrechtzuerhalten.

Die vorstehende Beschreibung- zeigt, daß erfindungsgemäß eine neue Kombination einer geschiuindigkeitsabhängigen Steuereinrichtung und einer mit dieser zusammenwirkend verbundenen druckabhängigen Steuereinrichtung vorgesehen ist, um die Verdrängung einer Anzahl von Pumpen mit veränderbarer Verdrängung zu steuern, damit eine Anpassung an die Leistungskapazität einer Antriebsmaschine erzielt uiird. Diese Kombination enthält ein auf die Summe der Ausgänge der belasteten Pumpen ansprechendes Summierventil und ein Untergeschu/indigkeitsventil, uielches auf den Ausgang einer unmittelbar von der Antriebsmaschine getriebenen Pumpe anspricht, um den AySgang der Pumpen mit veränderbarer Verdrängung demgemäß zu steuern.

- PATENTANSPRÜCHE -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

M.j System zur Steuerung mit einer von einem Hauptantrieb angetriebenen Pumpe mit veränderbarer Verdrängung und. einer auf den Druck einer Betätigungs-Druckquelle ansprechenden Steuereinrichtung für die Änderung der Verdrängung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchschaltung des Betätigungsdruckes auf die Steuereinrichtung (18) für die Änderung der Pumpenverdr'ängung eine erste, auf die Geschwindigkeit des Hauptantriebes (13) ansprechende und eine zweite, auf den Ausgangsdruck der Pumpe (1D) ansprechende Betätigungseinrichtung (21,32) •vorgesehen sind, uiobei die zweite Betätigungseinrichtung (32) bei Überschreiten einer vorbestimmten Belastung des Pumpenausgangs (15) wirksam ist_c
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Betätigungseinrichtung (21, 32) aus Ventilanordnungen bestehen, deren jeweilige Ventile (23, 33) mit einer Bohrung, in welcher ein Steuerschieber angeordnet ist, an die Betätigungsdruckquelle (20) und an die Steuereinrichtung (18) für die Änderung der Verdrängung angeschlossen sind.

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3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungs- oder Steuer-Druckquelle (20) eine vom Hauptantrieb (13) angetriebene Pumpe mit unveränderbarer Verdrängung ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Betätigungseinrichtungen ~
(21, 32) über ein UJechselventil (28) mit der auf Druck ansprechenden Steuereinrichtung (18) der Pumpe (10)
mit veränderbarer Verdrängung verbunden sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere von einem gemeinsamen Hauptantrieb (13) angetriebene Pumpen (10, 11) vorgesehen
sind.
6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf die Summe der Ausgangsdrücke der Pumpen (1Q, 11) veränderbarer Verdrängung ansprechende Einrichtung (32) ,
deren Steuerung der Steuerung der auf die Geschwindigkeit des Hauptantriebes ansprechenden Einrichtung (21) überlagert oder übergeordnet ist.

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7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die druckabhängige Einrichtung (32) ein Uentil (33)

. mit einer vorbestimmten Vorspannung zur Sperrung der Verbindung zwischen der Steuerdruckquslle (20) und den Steuereinrichtungen (18, 19) und mehrere auf die Summe des Ausgangsdruckes der Pumpen (10, 11) ansprechende Stellglieder (37, 39) zur Einstellung des Ventils in eine die Verbindung freigebende Stellung aufweist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (37, 39) aus Kolben-Zylindereinheiten bestehen, tuobei der Ausgang (15, 16) der Pumpen (.10,11) und das Ventil (33) an gegenüberliegenden Enden des Kolbens mit den Zylindern verbunden sind.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Betätigungsdruckquelle (20) mit Steuerflüssigkeit versorgte Steuereinrichtung (18,-19) für die Änderung der Pumpenverdrängung eine Servo-Steuereinrichtung ist.
10. System nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (33) der druckabhängigen Einrichtung (32) ein Summierventil ist.

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11. System nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die dia Stauerdruckquelle (20) einschließende Einrichtung (21) zur Erzeugung eines von der Geschwindigkeit des Hauptantriebes abhängigen Signals zur Geschwindigkeitssteuerung ein Untergeschu/indigkeitsventil (22, 23) aufweist,
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Summierventil (33) beim Auftraten vorübergehender Überlast-Bedingungen dem Untergeschuündigkeitsventil steuerungsmäßig überlagert ist.

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