DE2350766A1

DE2350766A1 - Pumpendruck-reglersystem

Info

Publication number: DE2350766A1
Application number: DE19732350766
Authority: DE
Inventors: Kenneth Court; Richard Alexander Klimaszewski
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1974-07-11
Also published as: CA990578A; FR2211055A5; SE394016B; GB1448997A; US3820920A; JPS4989201A; AU474404B2; IT996263B; JPS5916111B2; AU6029073A

Description

BLUMBACH · WESEFi - BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN 2350766

DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. Dr. W. WESER - DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

Sperry Rand Corporation
Crooks and Maple Roads
Troy, Michigan 48084, USA

Pumpendruck-Reglersystem

Die Erfindung betrifft ein Pumpendruck-Reglersystem für hydraulische Kraftübertragungssysteme. Bei der Verwendung von druckgeregelten hydraulischen Pumpen mit veränderlicher Verdrängung in hydraulischen Kraftübertragungssystemen wird die Erreichung einer hochdynamischen Ausführung, d.h., einer schnellen und genauen Reaktion auf Druckänderungen, durch die Elastizitätseigenschaften des Systems, das die Pumpe speist, erheblich beeinträchtigt. Eines der am meisten kritischen Parameter, das die Stabilität -und die dynamische Ausführung der druckgeregelten Pumpe steuert, ist die Strömungscharakteristik des Reglers. Wird-die Strömung zu groß bemessen, so wird die Pumpe besonders in hochelastischen Systemen unstabil; wird die Charakteristik aber zu klein gewählt, so ist für heutige Bedürfnisse die dynamische Leistung nicht mehr anwendbar. Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, eine ableitbare Rückkopplung vorzusehen, so daß der Regler nicht nur auf Druckänderung,

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sondern auch auf die Größe der Änderungen oder auf die erste abgeleitete Druckänderung reagiert. Diese Methode ist in dem US-Patent 3 563 675 beschrieben. Sie setzt aber die Anwendung von zusätzlichen Einrichtungen voraus, kompliziert den Regler, wenn er ohne das Merkmal der ableitbaren Rück-'kopplung eingesetzt wird und erhöht auch die Kosten.

Das Ziel der Erfindung ist darauf gerichtet, ein Pumpendruck-Regler system verfügbar zu machen, welches das Merkmal einer ableitbaren Rückkopplung umfasst und nicht teurer„ist als ein Reglersystem ohne dieses Merkmal.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß in einem System mit einer Steuerdruck betätigten, druckgesteuerten hydraulischen Pumpe mit variabler Verdrängung dadurch erreicht, daß für die Einstellung der Verdrängung der hydraulischen Pumpe ein Servomotor vorgesehen ist, welcher mit einem Steuerventil gesteuert wird, das eine Betätigungseinrichtung besitzt, die eine erste und eine zweite zur ersten entgegengesetzte Kolbenvorrichtung umfasst, zwischen welchen ein erstes Drosselventil angeordnet ist und die beide dem Pumpenausgangsdruck ausgesetzt sind, daß an der zweiten Kolbenvorrichtung eine Ableitung liegt welche ein Steuerentlastungsventil und ein zweites Drosselventil umfasst, so daß ein kontinuierlicher Ablaufstrom durch die Drosselventile und

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• _ -2.

das Entlastungsventil entsteht und die Verschiebung des Kolbenschiebers im Steuerventil durch die Größe der Änderung des Pumpenausgangsdruckes bestimmt wird.

Die Erfindung wird mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 den Pumpen- und Steuerkreis;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Gegendruckströmung in den Teilen des Steuerkreises nach Fig. 1.

In Fig. list der Pumpe 10 mit variabler Verdrängung ein federvorgespannter Hydromotor 12 für die Einstellung der Verdrängung zugeordnet. Die Pumpe 10 speist über die Druckleitung 14 das motorische Kraftsystem 16. In Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie Länge der hydraulischen Leitungen und dem Material, aus dem diese bestehen, von dem Typ des benutzten Hydromotors, sowie der Schwerkraft und den Federungsgrößen der vom Motor angetriebenen Lasten können die elastischen Eigenschaften des motorischen Kraftsystems 16 insgesamt in einem weiten Bereich von System zu System variieren.

Der Servomotor 12 wird mit dem Dreiwege-Steuerventil 18 gesteuert, und führt wahlweise dem Servomotor Druckmittel zu

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oder zieht Druckmittel von ihm ab. Zu diesem Zweck führt die Betriebsleitung 20 von der Druckleitung 14 über eine v/eitere Betriebsleitung 22 zu dem Steuerventil 18. Eine Ableitung 24 verbindet das Steuerventil 18 auch mit der Ableitung 26. Der Ausgang des Steuerventils 18 ist über die Leitung 28 mit dem Servomotor 12 verbunden. Während dieser Motor mittels der Feder 30 vorgespannt ist, könnte er auch ebenso gut mit dem Druck in der Druckleitung 14 vorgespannt werden, wenn dieser Druck auf die kleine Fläche eines Differentialkolbens geleitet wird. Ebenso könnte der Motor 12 ein doppelt wirkender Motor und das Ventil ein Vierwege-Richtungsventil sein. Alle diese Alternativen sind auf dem Gebiet der Krafthydraulik bekannt.

Das Steuerventil 18 wird mit der gegeneinander gerichteten Kolbenvorrichtung 32 und 34 betätigt, bei welcher die Kolben vorzugsweise gleiche Kolbenflächen besitzen. In der an der Kolbenvorrichtung 34 vorgesehenen Kammer 37 wirkt auf den Kolbenschieber (nicht dargestellt) eine Feder 36 ein und ist bestrebt, diesen nach rechts zu verschieben. Die Flächen der beiden Kolben liegen über die Betriebsleitungen 38 und 40, die mit der Betriebsleitung 20 verbunden sind, an der Steuerdruckleitung 14. Zwischen die Betriebsdruckleitungen 38 und 40 ist das fest eingestellte

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Drosselventil 42 eingesetzt. Hinter diesem Drosselventil und der Betriebsdruckleitung 40 stellt die Betriebsdruckleitung 20 eine Verbindung zum Steuer-Entlastungsventil 44 her, welches über seine Steuer-Betriebsleitung 46 gegen die Wirkung der Feder 48 betätigt wird und die Leitung 20 auf einen vorbestimmten einstellbaren Wert absperrt. Hinter dem Entlastungsventil führt die Leitung 20 zu einem zweiten festen Drosselventil 50, welches in die Ablaufleitung 26 entladet.

Bei der Arbeit, wenn die Pumpe 10 in Betrieb ist und weniger als eine Maximalströmung über die Druckleitung 14 in das Kraftsystem 16 unter gleichmäßigen Bedingungen liefert, bestimmen die Strömungserfordernisse des Systems 16 die Positions bis zu welcher der Servomotor regelt. Unter diesen Bedingungen ist eine gleichmäßige ruhige Strömung durch den Ablaufkreis 20-26 vorhanden, welcher das erste Drosselventil 42, das Entlastungsventil 44 und das zweite Drosselventil 50 enthält. Es handelt sich hierbei um eine kleine kontinuierliche Strömungo Der Druckabfall durch das Drosselventil 42 gleicht genau die Federkraft der Feder 36 aus₉ die über die Fläche des Kolbens 32 angelegt ist, so daß das Steuerventil 18 in seiner neutralen Stellung bleibt und dem Servomotor weder Druckmittel zuführt noch abzieht«

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Nach einem Druckanstieg in der Druckleitung 14, hervorgerufen durch eine Senkung in den Zuführungseinrichtungen des Kraftsystems 16, wird dieser höhere Druck über die Leitung 38 der Kolbenfläche 32 zugeführt, so daß das Steuerventil 18 gegen die Wirkung der Feder 36 nach links verschoben • wird. Diese Bewegung entladet einen zusätzlichen Druckmittelstrom von der Kolbenfläche 34 über Leitung 40 in die Leitung 20. Je schneller der Kolbenschieber sich bewegt, desto größer ist die Erhöhung der Strömung. Infolge des Drosselventils 50 bewirkt diese zusätzliche Strömung jedoch einen Druckanstieg in der Leitung 40, wodurch die Druckdifferenz zwischen den Kolben 32 und 34 reduziert und damit die Bewegung des Kolbenschiebers des Ventils 18 verlangsamt wird. Dies bewirkt eine Reduzierung der Strömungscharakteristik zum Servomotor 18. Je schneller der Kolbenschieber des Steuerventils 18 sich nach links bewegt, desto größer ist die Strömung über das Drosselventil 50 und desto höher baut sich der Druck in der Leitung 40 und an der Kolbenfläche auf, was zu einer geringeren Strömungscharakteristik führt. Mit anderen Worten, je schneller der Druckanstieg in der Druckleitung 14 sich vollzieht, desto größer ist die Verzögerung des Kolbenschiebers in dem Steuerventil 18 nach dem Druckanstieg und infolgedessen verändert sich die Strömungscharakteristik umgekehrt proportional der Systemdruckerhöhung. Bei einem Druckabfall in der Druckleitung

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tritt eine entgegengesetzte Wirkung zutage.

Da die Feder 36 eine begrenzte Federgröße besitzt, resultiert die Änderung der Lage des Kolbenschiebers im Ventil 32 in einer Änderung der ruhenden Strömungsgröße, welche durch die •Betriebsleitung 20 und das Drosselventil 42 fließt. Diese Strömungsänderung löst einen Druckabfall über das Drosselventil 50 aus, welcher einen Druckanstieg in der Federkammer 37 nach sich zieht. Das wiederum bewirkt eine Änderung in den hydraulischen Kräften, die auf den Kolbenschieber des Steuerventils 32 einwirken, dessen Änderung eine Funktion der Kolbenschieberstellung ist.

Das beschriebene System erzeugt in Wirklichkeit ein hydraulisches Äquivalent zur "hydraulischen Federgröße", die gemeinsam mit der mechanischen Feder 36 wirksam ist. Es kann mathematisch nachgewiesen werden, daß derEffekt dieser "hydraulischen Federgröße" für echte turbulente Verhältnisse und für eine vollständig entspannte Druckflüssigkeit eine kombinierte oder äquivalente Federgröße K ist:

K_e = (1 + L_L) J κ

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D₁ - der Durchmesser des Drosselventils 42, Bp - der Durchmesser des Drosselventils 50,

und K - die Größe der mechanischen Feder 36 ist.

Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß kleine Änderungen im Öffnungsverhältnis der beiden Drosselventile eine große Auswirkung auf das Äquivalent der Federgröße haben. Die äquivalente Feder größe kann auch mit den Endpunkten der Neigung einer Kurve dargestellt werden, die ein Stück Drosselventil-Differenzdruck gegen die Strömungsgröße durch das Drosselventil umfasst:

^Ke =

wo S₁ die Neigung der p-Q-Kurve für das Drosselventil 42 im Arbeitspunkt und

Sp die Neigung der p-Q-Kurve für das Drosselventil 50 darstellt.

Allgemein, je höher der äquivalente Federwert K ist, desto besser sind die dynamischen Ausführungen des- Servosystems. Diese Verhältnisse sind mit Fig. 2 dargestellt.

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Zu bemerken ist noch, daß wegen des Druckabfalls an dem zweiten Drosselventil 50 der Zerstörungsdruck des Entlastungsventil 44 fest unterhalb des Nominaldruckbcreichs eingestellt werden muß (mit der justierbaren Feder 36), der in der Druckleitung aufrecht erhalten werden soll. Das ist darauf zurückzuführen, daß durch das primäre Drosselventil 42 eine ruhende Strömung gerade dann fließt, wenn in der Druckleitung 14 die Druckwerte weit unter dem eingestellten Nominaldruck liegen und hat die Wirkung, daß die Empfindlichkeit des KoIbenSchiebers des Steuerventils 32 auf plötzliche Druckanstiege in der Druckleitung 14 erhöht wird. In der Pig« 1 ist das Entlastungsventil 44 stromaufwärts vom zweiten Drosselventil 50 angeordnet. Seine Lage könnte ohne Beeinträchtigung des Erfindungserfolges verändert werden» Das Druckmittelvolumen in der Federkammer 37» wenn es richtig gewählt ist, kann auch einen sehr vorteilhaften Einfluß auf die primären dynamischen Eigenschaften des Pumpenreglers haben. Nach einem plötzlichen Anstieg des Systemdrucks* d.h., bei einem hohen Anstiegsbetrag, wird der Kolbenschieber in die Federkammer 37 bewegt, bevor irgendeine Gegenströmung über das Drosselventil und die Leitung 40 vorhanden ist und beginnt den Servomotor 12 erheblich anzutreiben, bevor der eingestellte Nominaldruck erreicht ist* Mit einem Pederkamaiervaluroen von beispielsweise 16,13 era

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und einem Kolbenschieber 32 mit einem Durchmesser von 0,95 cm sowie einem Primärdrosselventil 42 mit einem Durchmesser von 0,07 cm tritt diese Wirkung oin bei einem Druckanstieg von über 8,4136 kg/crn . Daraus ergibt sich, daß bei hohen Druckanstiegsgrößen in der Druckleitung 14 der Drucküberschuß verringert wird.

Druckempfindliche Pumpenregler nach der Erfindung haben sich bei echten Ausführungsprüfungen bewährt. Sie regeln den Druck genau mit vollständiger Stabilität innerhalb eines Elastizitätsbereichs von 26 bis 1 gekoppelt mit einer Zuführgröße des Druckmittels im Bereich von 5 bis 1.

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Claims

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DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-FHYS. Dr. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 - TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

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Patentansprüche

Pumpendruck-Reglersystem mit einer druckgesteuerten hydraulischen Pumpe mit variabler Verdrängung,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Einstellung der Verdrängung der hydraulischen Pumpe (10) ein Servomotor (12) vorgesehen ist, welcher mit dem Steuerventil (18) gesteuert wird, das eine Betätigungs-Einrichtung besitzt, die eine erste und eine zweite zur ersten entgegengesetzten KoIbenvorrichtung (32» 34) umfasst, zwischen welchen ein erstes Drosselventil (42)
angeordnet ist und die beide dem Pumpenausgangsdruck ausgesetzt sind, daß an der zweiten Kolbenvorrichtung (34) eine Ableitung (24) liegt,welche ein Steuerentlastungsventil (44) und ein zweites Drosselventil (50) umfasst, so daß ein kontinuierlicher Ablaufstrom durch die Drosseln (42, 50) und das Entlastungsventil (44) entsteht und die Verschiebung des Kolbenschiebers im Steuerventil (18)
durch die Größe der Änderung des Pumpenausgangsdruckes bestimmt wird.

2* Purcpendruck-Reglersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drosselventile (42, 50) im wesentlichen gleicher Ausführung und.Größe sind.

3. Pumpendruck-Reglersystem nach Anspruch 1 oder 2, d a du rch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben der Kolbenvorrichtung (32, 34) im wesentlichen gleiche Wirkflächen haben«

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