DE3109045A1

DE3109045A1 - Regelbare hydraulikpumpe

Info

Publication number: DE3109045A1
Application number: DE19813109045
Authority: DE
Inventors: M. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 6200 Wiesbaden Kahrs
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co oHG
Priority date: 1981-03-10
Filing date: 1981-03-10
Publication date: 1982-09-16
Also published as: FR2501798A1; IT1150617B; GB2097060B; IT8219982A0; FR2501798B1; GB2097060A

Description

-^:-3Ί09045

ALFRED TEVES GMBH ΗΚ/kl

Frankfurt am Main P 5010

Dr. Kahrs -

Regelbare Hydraulikpumpe

Die Erfindung betrifft eine regelbare Hydraulikpumpe, mit einem eine vorgespannte Regelfeder aufweisenden Nullhubregler zur Regelung eines Förderstroms im Bereich der maximalen Fördermenge auf einen unter Druck stehenden Förderstrom geringer Fördermenge, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist.

Bekannte Hydraulikpumpen der vorgenannten Bauart werden üblicherweise zusammen mit einem Verbraucher, beispielsweise einem Verbraucherzylinder mit Vorhub, Nullstellung und Rückhub, mit Arbeitskennlinien betrieben, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Bei maximaler Pumpenförderung

Q steigt der Verbraucherdruck ρ längs der Arbeitsmax ^y

kennlinie a an. Im Punkt A setzt der Regler ein und regelt die Fördermenge Q bei noch leicht steigendem Druck ρ längs der Regelkennlinie b zurück (Rücknahme von Pumpenexzentrizität oder Schwenkwinkel mit steigender Druckkraft gegen eine Regelfeder). Im Betriebspunkt B (maxi-

maler Druck und minimale Fördermenge) arbeiten Pumpen mit Nullhubregler nach dem Stand der Technik, wenn der Verbraucher innerhalb des Arbeitszyklus abgeschaltet ist und kein Drucköl entnimmt. Da der minimale Förderstrom Q . erfah-

min

rungsgemäß etwa 5% des maximalen betragen muß (für Schmierung und Wärmeabfuhr), ist der Energieverbrauch wegen des in diesem Punkt anstehenden maximalen Drucks ρ nicht un-

max

beträchtlich, insbesondere bei einem Betrieb variabler Pumpen mit Nullhubregelung, bei denen die Arbeitszyklen durch längere Regelzeiten im Nullhubregelzustand unterbrochen werden. Auch ist ein geräuscharmer Betrieb einer Pumpe konventioneller Bauart wegen des anstehenden maximalen Förderdrucks nicht möglich, wenn keine besonderen Vorkehrungen zur Verhinderung der Betriebsgeräusche getroffen sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer regelbaren Hydraulikpumpe der eingangs genannten Art, die bei einfachem Aufbau energiesparend und geräuscharm betrieben werden kann, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die Vorspannung der Regelfeder bei abgeschaltetem Verbraucher, das ist im Bereich der minimalen Fördermenge, auf ein verringertes Maß mittels Folgeschaltung einstellbar ist. Insbesondere ist die Vorspannung der Regelfeder bei abgeschaltetem Verbraucher unmittelbar nach Beendigung des Regelvorgangs auf das verringerte Maß einstellbar,und es kann bei einer Zuschaltung eines Verbrauchers die ursprüngliche Vorspannung der Regelfeder im Bereich der Beendigung des RegelVorgangs, insbesondere unmittelbar nach dem RegelVorgang, mittels Folgeschaltung wieder eingestellt werden, so daß sich Arbeitskennlinien beim Betrieb von Hydraulikpumpe und Verbraucher ergeben, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Erfindung sieht Arbeitskennlinien a und b wie nach dem Stand der Technik nach Fig. 1 vor. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird nach Beendigung des Regelvorgangs

b bei abgeschaltetem Verbraucher nicht fortwährend der Betriebspunkt B mit maximalem Förderdruck gefahren, sondern im Bereich oder nach Erreichen des maximalen Drucks ρ bei ab-

max

geschaltetem Verbraucher der Druck des Fördermediums längs der Kennlinie c (Q . -"-^-konstant) auf den Betriebspunkt C herabgesetzt (vorzugsweise auf etwa 25% des maximalen Drucks), und zwar erfindungsgemäß dadurch, daß die Vorspannung der Regelfeder des Nullhubreglers mit einer speziellen Steuereinrichtung, mit elektrischen oder hydraulischen Mitteln, vorzugsweise automatisch, herabgesetzt wird. Zu Beginn eines neuen Arbeitszyklus (Öffnen des Verbraucherschaltventils) fällt zunächst der Verbraucherdruck ρ längs der Regelkennlinie d bei steigender Fördermenge Q ab, bis sich der Betriebspunkt D eingestellt hat. Nach Beendigung des RegelVorgangs d mit herabgesetztem Druck oder im Bereich der Beendigung der Regelung wird die Vorspannung der Regelfeder wieder auf den ursprünglichen hohen Wert heraufgesetzt und der Arbeitsbetrieb längs der Kennlinien a und b wieder aufgenommen. Die Betriebskennlinien einer erfindungsgemäßen regelbaren Hydraulikpumpe mit Nullhubregelung kennzeichnen sich demnach durch eine Hysterese mit einer Sprungschaltung des Betriebsdrucks in den Betriebspunkten B und D.

Durch die Erfindung wird bei abgeschaltetem Verbraucher ein minimaler Förderstrom Q . (etwa 5% des maximalen Förderstroms) für Schmierung und Wärmeabfuhr bei deutlich herabgesetztem Druck aufrechterhalten. Dadurch wird die Verlustenergie einer im Nullhubregelzustand betriebenen Pumpe verringert und eine Energieeinsparung gegenüber Anlagen mit Konstantpumpen mit drucklosem Umlauf, auch mit druckverlustsparendem Umlaufventil

-T-

erreicht, insbesondere bei Arbeitszyklen mit längeren Zeitanteilen im Nullhubregelzustand. Infolge des in diesem Betriebspunkt verringerten Drucks ergeben sich auch ein deutlich günstigeres Geräuschniveau sowie eine verlängerte Lebensdauer einer Pumpe.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Regelfeder des Nullhubreglers in einer zwischen zwei Stellungen schaltbaren Stelleinrichtung abzustützen.

Die Stelleinrichtung ist zweckmäßigerweise ein hydraulisch verstellbarer Stellzylinder, dessen Kolben die Regelfeder abstützt.

Der hydraulische Stellzylinder ist vorzugsweise über ein durch eine Steuereinrichtung elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege-Ventil verstellbar.

Die Auslösung des Umschaltvorgangs für die Regelfedervorspannung kann mittels des Steuerimpulses für die Umschaltung eines Verbraucherschaltventils erfolgen, mit dem ein Verbraucherzylinder auf Vorhub, Nullstellung und Rückhub geschaltet wird.

In alternativer Ausgestaltung kann der hydraulische Stellzylinder auch über ein 3/2-Wege-Ventil verstellbar sein, das durch den erzeugten Pumpendruck hydraulisch betätigbar ist. Insbesondere ist das 3/2-Wege-Ventil ein druckabhängig betätigbares Umschaltventil in Längsschieberbauart (mit Sprungschaltwirkung und Hysterese gemäß Fig. 2).

Das 3/2-Wege-Ventil ist vorzugsweise im Pumpenkreis derart verschaltet, daß der Kolben der Regelfeder bei zugeschaltetem Verbraucher durch den erzeugten Pumpendruck beaufschlagt ist, während er bei abgeschaltetem Ver-

braucher mit dem drucklosen Rücklauf der Pumpe in Verbindung steht.

In alternativer Ausführungsform kann bei einem im Pumpenkreis angeordneten 4/3-Verbraucher-Schaltventil für einen Lasthub, eine Nullstellung und einen Eilrücklauf eines Verbraucherzylinders der hydraulische Stellzylinder im Pumpenkreis derart verschaltet sein, daß der Stellzylinder nur an die Druckleitung für den Lasthub L angeschlossen ist, während in der Nullstellung und in der Stellung für den Eilrücklauf R des Ventils der Stellzylinder mit dem Rücklauf verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 Kennlinien einer Nullhub-Regelpumpe nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 Kennlinien einer Nullhub-Regelpumpe gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen Schaltkreis einer erfindungsgemäßen Nullhub-Regelpumpe mit hydraulisch verstellbarer Regelfedervorspannung,

Fig. 4 einen weiteren hydraulischen Kreis einer erfindungsgemäßen Regelpumpe, deren Nullhubregler über ein Verbraucherschaltventil in der Regelfedervorspannung hydraulisch verstellbar ist,

Fig. 5 einen anderen hydraulischen Kreis einer er-

-3103045

findungsgemäßen Regelpumpe mit einem Umschaltventil mit Sprungschaltwirkung und Hysterese, und

Fig. 6 das in Fig. 5 schematisch gezeigte Umschaltventil in größerer Einzelheit.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Vergleichsdiagramme von Kennlinien einer Nullhub-Regelpumpe nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung schematisch veranschaulicht, wobei auf der Abszisse der Förderstrom Q und auf der Ordinate der Druck ρ des Förderstroms aufgetragen sind.

Die Linien a und b sind die üblicherweise betriebenen Arbeitskennlinien beim Betrieb einer Hydraulikpumpe 1 und einem Verbraucher 2. Auf der Linie a steigt der Verbraucher druck bei maximaler Pumpenförderung an, im Punkt A setzt der gemäß Kennlinie b fahrende Regler ein und regelt die Förderung bei noch leicht steigendem Druck zurück. Im Betriebspunkt B (maximaler Druck und minimaler Förderstrom) arbeiten bekannte Hydraulikpumpen mit Nullhubregler ohne die erfindungsgemäße Einrichtung, wenn der Verbraucher innerhalb des Arbeitszyklus abgeschaltet oder auf Anschlag ist und kein Hydraulikmedium entnimmt.

Gemäß Fig. 2 wird nach Erreichen des maximalen Drucks bei abgeschaltetem Verbraucher mit einer erfindungsgemäßen Hydraulikpumpe der auf der zweiten Regelkennlinie d liegende Betriebspunkt C gefahren. Beginnt ein neuer Arbeitszyklus, fällt zunächst entsprechend der Regelkennlinie d mit herabgesetztem Druck der Verbraucherdruck durch Öffnen des Verbraucherventils ab.

bis der Betriebspunkt D erreicht ist, bei dem der Arbeitsbetrieb längs der Kennlinien a und b wieder aufgenommen wird.

In Fig. 3 ist ein hydraulischer Kreis mit einer Hydraulikpumpe 1 in Form einer variablen Flügelzellenpumpe gezeigt, die einen Nullhubregler 4 mit hydraulisch verstellbarer Regelfedervorspannung aufweist.

Der Nullhubregler besteht im wesentlichen aus einer Stelleinrichtung 6 in Form eines Stellzylinders mit einem an die eigentliche Hydraulikpumpe 1 gekoppelten Stößel 7 und einem Kolben 8, zwischen denen eine Regelfeder 5 abgestützt ist. Der Kolben 8 des Stellzylinders ist in zwei Stellungen hydraulisch verstellbar, wie dies im einzelnen noch beschrieben wird.

Der hydraulische Kreis gemäß Fig. 3 sieht eine Druckleitung 16 vor, die die Hydraulikpumpe 1 über ein Verbraucher-Schaltventil 14 mit einem Verbraucher 2 in Form eines Zylinders verbindet. Der Verbraucherzylinder kann durch das Verbraucherschaltventil 14 (4/3-Wege-Ventil) auf Vorhub, Nullstellung und Rückhub geschaltet werden, wobei eine Rücklaufleitung 18 zu einem drucklosen Behälter 13 vorgesehen ist.

Gegebenenfalls kann ein 4/2-Wege-Ventil als Verbraucherschaltventil 14 vorgesehen sein, wenn ein Verbraucher 2 ohne mittlere Nullstellungsschaltung angeschlossen ist.

Die Druckleitung 16 der Hydraulikpumpe 1 ist über einen Druckleitungszweig 20 mit einem elektromagnetisch betätigbaren 3/2-Wege-Ventil 9 verbunden, das durch eine Steuereinrichtung 10 mittels des Steuerimpulses für die Umschaltung des Verbraucher-Schaltventils 14 geschaltet werden kann.

31 Ί - 11 -

Das 3/2-Wege-Ventil 9 weist einen weiteren Anschluß für einen Rücklauf 12 zum drucklosen Behälter 13 sowie einen dritten Anschluß für einen Leitungszweig 19 auf, der das Ventil 9 mit dem Arbeitsraum des hydraulischen Stellzylinders verbindet.

In der in Fig. 3 gezeigten Stellung ist der Leitungszweig 19 mit dem Rücklauf 12 verbunden und der Kolben des hydraulischen Stellzylinders hydraulisch entlastet, so daß die Regelfeder 5 auf einen verringerten Vorspannungswert eingestellt ist, bei dem im Betrieb der Anlage der Verbraucher 2 abgeschaltet ist.

Bei eingeschaltetem Verbraucher 2 (Vorhub, Rückhub) ist der hydraulische Stellzylinder bei entsprechender Umschaltung des 3/2-Wege-Ventils 9 über den Druckleitungszweig 20 und den Leitungszweig 19 an die Druckleitung 16 der Hydraulikpumpe 1 angelegt, so daß der Kolben 8 der hydraulischen Stelleinrichtung seine andere (gemäß Fig. 3 rechte) Lage einnimmt, in der die Regelfeder 5 auf einen hohen Vorspannungswert eingestellt ist.

Die Steuereinrichtung 10 wird in einer Weise betätigt, daß sich im Betrieb der Anlage das Kennliniendiagramm nach Fig. 2 einstellt.

In Fig. 4 ist ein weiterer hydraulischer Kreis mit einem Nullhubregler 4 einer Hydraulikpumpe 1 gezeigt, wobei die Umschaltung des Regelfeder-Stellzylinders mit dem Verbraucherschaltventil 15 kombiniert ist. Insbesondere ist der Stellzylinder für die Regelfeder direkt an die Druckleitung 16 für den Vorhub (Lasthub L) des Verbrauchers 2 angeschlossen. In der Nullstellung und in der Rücklauf-

-■-3

Stellung des Ventils 15 wird der Stellzylinder mit dem Rücklauf 12 verbunden und entlastet, so daß die Kennlinie d mit geringem Druck gefahren wird. Der Stellzylinder für die Regelfeder ist so dimensioniert, daß schon mit verhältnismäßig wenig oberhalb der Linie d liegenden Arbeitsdruck die Feder gespannt wird. Gemäß Verschaltung nach Fig. 4 kann somit auf das Ventil 9 der Fig. 3 verzichtet werden, wenn der Vorhub (Lasthub L) des Verbraucherzylinders mit hohem Druck (Kennlinien a, b der Fig. 2) und der Rückhub R mit kleinem Druck (Eilgang, Kennlinie d) erfolgt.

Eine weitere Möglichkeit, die Vorspannung der Regelfeder und damit den geregelten Druck automatisch vom hohen Druckniveau (Kennlinie b) auf niedriges Druckniveau (Kennlinie d) und umgekehrt umzuschalten, besteht in der Verwendung eines druckabhängig umschaltenden Ventils 11 mit Sprungschaltwirkung und Hysterese gemäß den Fig. 5 und Der Systemschaltplan und das Umschalt-Ventil-Symbol gemäß Fig. 5 entsprechen im wesentlichen dem Hydraulikkreis nach Fig. 3, jedoch erfolgt die Ansteuerung des Ventils 11 (3/2-Wege-Ventil) in diesem Fall mit dem erzeugten Pumpendruck in der Druckleitung 16 (Anschluß P¹ des Ventils. 11). Bei der speziellen Ausbildung des Umschaltventils 11 erfolgt die Umschaltung nach Erreichen einer eingestellten hohen Druckschwelle (Kennlinie b) am Betriebspunkt B gemäß Fig. 2 auf das niedrige Druckniveau. Ein Wiederumschalten auf das höhere Druckniveau (Kennlinien a, b) aufgrund des Druckeinbruchs bei Öffnung des Verbraucherventils 14 erfolgt nach Erreichen einer eingestellten niedrigen Druckschwelle (Betriebspunkt D gemäß Fig. 2).

Das 3/2-Wege-Ventil 11 der Fig. 5 weist Anschlüsse P,

T und S auf, durch welche der Regelfeder-Stellzylinder entweder mit der Druckleitung 16 der Pumpe 1 oder mit dem Rücklauf 12 zum drucklosen Behälter 13 verbunden wird.

Das Ventil 11 ist im einzelnen in Fig. 6 gezeigt. Es ist in Längsschieberbauart ausgeführt, wobei der Schieberkolben durch eine innere Schaltfeder gegen den Steuerdruckanschluß P¹ vorgespannt ist, der ständig mit der Druckleitung 16 verbunden ist.

In der Schaltstellung mit überwiegender Kraft der Schaltfeder sind P und S verbunden, so daß die Regelfeder 5 der Pumpe hoch gespannt ist und hoher Arbeitsdruck entsprechend den Kennlinien a, b der Fig. 2 gefahren wird. Bei maximalem Druck (Betriebspunkt B) hat der zunächst nur auf die kleine Stirnfläche des Schieberkolbens wirkende Druck den Schieberkolbens so weit gegen die Schaltfeder verschoben, daß ein Ringspalt freigegeben und eine zusätzliche große Stirnfläche beaufschlagt wird. Aufgrund des Kraftzuwachses bewegt sich der Schieberkolben schlagartig in die andere Endstellung (gemäß Fig. 6 nach links), so daß S mit T verbünden wird und der Regelfeder-Stellzylinder entlastet und die Regelfeder selbst nur noch auf kleine Kraft vorgespannt ist. Die Pumpe 1 fährt nur noch niedrigen Druck entsprechend der Kennlinie d der Fig. 2.

Die Pumpe 1 wird wieder auf hohen Arbeitsdruck geschaltet, wenn der Schieberkolben nach Öffnen des Verbraucherschaltventils 14 infolge stark abgefallenem Druck durch die Schaltfeder wieder in die ursprüngliche (in Fig. 6 gezeigte) Endlage gestellt ist. Dies erfolgt aufgrund der

-u-

großen beaufschlagten Druckfläche jedoch erst bei sehr niedrigem Druck (Betriebspunkt D der Fig. 2). Ist dieser Druck erreicht, wird die Ringfläche über spezielle Längs- und Querbohrungen im Schieberkolben mit dem Anschluß T zum Behälter 13 verbunden, so daß nur noch die kleine Stirnfläche beaufschlagt ist und die Schaltfeder den Schieberkolben schlagartig in die gezeigte Endstellung drückt; der Regelfeder-Stellzylinder ist dann wieder mit der Druckleitung 16 verbunden und spannt die Regelfeder 5 auf hohe Kraft, so daß die Hydraulikpumpe 1 wieder hohen Arbeitsdruck (Kennlinien a, b) liefert.

Claims

09045

ALFRED TEVES GMBH HK/kl

Frankfurt am Main P 5010

Dr. Kahrs - 5

Patentansprüche

Regelbare Hydraulikpumpe, mit einem eine vorgespannte Regelfeder aufweisenden Nullhubregler zur Regelung eines Förderstroms im Bereich der maximalen Fördermenge auf einen unter Druck stehenden Förderstrom geringer Fördermenge, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Regelfeder (5) bei abgeschaltetem Verbraucher (2), das ist im Bereich der minimalen Fördermenge, auf ein verringertes Maß mittels Folgeschaltung einstellbar ist.
2. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Regelfeder (5) bei abgeschaltetem Verbraucher (2) unmittelbar nach Beendigung des Regelvorgangs b auf das verringerte Maß einstellbar ist.
3. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zuschaltung eines Verbrauchers (2) die Vorspannung der Regelfeder (5) im Bereich der Beendigung, vorzugsweise unmittelbar nach Beendigung des Regelvorgangs d auf das ursprüngliche große Maß mittels FoIgeschaltung zurückstellbar ist (Fig. 2).

"·"·■* ■"""-' "■-" -^:-3103045
4. Hydraul dkpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelfeder (5) des Nullhubreglers (4) in einer zwischen zwei Stellungen schaltbaren Stelleinrichtung (6) abgestützt ist.
5. Hydraulikpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (6) ein hydraulisch verstellbarer Stellzylinder ist, dessen Kolben (8) die Regelfeder (5) abstützt.
6. Hydraulikpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Stellzylinder über ein durch eine Steuereinrichtung (10) elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege-Ventil (9) verstellbar ist (Fig. 3).
7. Hydraulikpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung des Umschaltvorgangs für die Regelfedervorspannung mittels des Steuerimpulses für die Umschaltung eines Verbraucherschaltventils (14) erfolgt, mit dem ein Verbraucherzylinder (2) auf Vorhub, Nullstellung und Rückhub geschaltet wird.
8. Hydraulikpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Stellzylinder über ein 3/2-Wege-Ventil (11) verstellbar ist, das durch den erzeugten Pumpendruck hydraulisch betätigbar ist (Fig. 5).
9. Hydraulikpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das 3/2-Wege-Ventil (11) ein

druckabhängig betätigbares Umschaltventil in Längsschieberbauart ist (Fig. 6).
10. Hydraulikpumpe nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das 3/2-Wege-Ventil (9 bzw. 11) im Pumpenkreis derart verschaltet ist, daß der Kolben (8) der Regelfeder (5) bei zugeschaltetem Verbraucher (2) durch den erzeugten Pumpendruck beaufschlagt ist, während er bei abgeschaltetem Verbraucher mit dem drucklosen Rücklauf (12) der Pumpe (1) in Verbindung steht.
11. Hydraulikpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im Pumpenkreis angeordneten 4/3-Verbraucher-Schaltventil (15) für einen Lasthub L, eine Nullstellung und einen Eilrücklauf R eines Verbraucherzylinders (2) der hydraulische Stellzylinder im Pumpenkreis derart verschaltet ist, daß der Stellzylinder nur an die Druckleitung (16) für den Lasthub L angeschlossen ist, während in der Nullstellung und in der Stellung für den Eilrücklauf R des Ventils (15) der Stellzylinder mit dem Rücklauf (12) verbunden ist(Fig. 4).