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Hydraulische Steuereinrichtung
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Steuereinrichtung
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine derartige bekannte Steuereinrichtung weist
unter anderem ein programmgesteuertes Drucksteuerventil für einen der Verbraucher
und die Verstellpumpe auf, wodurch der Leistungsbedarf verhältnismäßig gering gehalten
werden kann. Jedoch sind die Feinabstimmungen für die verschiedenen Verbraucher
und der Energieaufwand noch nicht optimal ausgelegt.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
die Verbraucher noch besser ansteuerbar sind und der Energieverbrauch noch geringer
gehalten werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
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Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, Figur 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel in ebensolcher Darstellung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels In beiden Ausführungsbeispielen
treibt ein Motor 10 mindestens eine verstellbare Pumpe 11 an, die in bekannter Weise
über eine von einem Steuerventil 12 angesteuerte doppeltwirkende Verstelleinrichtung
einstellbar ist. Auf den kleinen Verstellkolben.14 wirkt über eine Steuerleitung
15 stets der Druck in der Förderleitung 16 der Pumpe, auf den großen Verstellkolben
17 über das Steuerventil je nach seiner Stellung ebenfalls der Druck über eine Steuerleitung
18 aus der Förderleitung oder es wird der Stellkolben zu einem Behälter 20 verbunden.
Auf das Steuerventil wirkt von der einen Seite her über eine Steuerleitung 21 der
Druck aus der Förderleitung, auf dessen andere Seite über eine Leitung 22 der Druck
aus einer Leitung 23 sowie die Kraft einer Feder 24. Derartige doppeltwirkende Verstelleinrichtungen
sind hinlänglich bekannt und deshalb nur kurz beschrieben. An die Förderleitung
16 der Pumpe ist in einem Parallelkreis 25 ein Druckbegrenzungsventil 26 angeordnet.
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In der Förderleitung 16 ist ein Rückschlagventil 28 angeordnet, das
sich in Richtung zu einem stromabwärts angeordneten gesteuerten Rückschlagventil
29 zu öffnen vermag.
Vom Rückschlagventil 29 mit seinem federbelasteten
Schließglied 30 führt eine Leitung 31 zu einer Leitung 32, die über ein Schaltventil
33 zu einem Druckspeicher 34 führt. Der Druckspeicher ist über ein Entlastungsventil
35 zum Tank 20 entsperrbar.
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Von der Leitung 32 geht eine Steuerleitung 37 aus, die zu einem 4/2-Wegeventil
38 führt und von dort weiterläuft zur Rückseite des Rückschlagventils 29. Von der
Leitung 37 geht eine Leitung 39 aus, die über ein Wechselrückschlagventil 40 zu
einer Leitung 41 führt, welche über ein Wechselrückschlagventil 42 an die Leitung
23 angeschlossen ist. Die Leitung 41 mündet in eine Verbraucherleitung 43, in der
ein Rückschlagventil 36 angeordnet ist.
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Die Leitung 43 führt zu einem Verbraucherkreis 44 mit beispielsweise
zwei Verbrauchern, nämlich einem Hydromotor 45 und einem Arbeitszylinder 46. Jedem
dieser Verbraucher ist ein über ein Steuerventil 48 bzw. 49 steuerbares Rückschlagventil
50, 51 zugeordnet, über welche der Druckmittelstrom diesen zugeleitet werden kann.
Der Abfluß dieser Verbraucher erfolgt über ein Staudruckventil 52, dessen Steuerleitung
53 über ein Rückschlagventil 54 zu einer Leitung 55 führt, von der wiederum eine
Steuerleitung 56 zu einem Proportional-Vorsteuerventil 57 führt. Diesem kann über
eine elektrische Eingabe 58 ein beliebiger Drucksollwert für die Verbraucher vorgegeben
werden.
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Von der Förderleitung 16 zweigt hinter dem Rückschlagventil 28 eine
Leitung 60 ab, die in eine Querleitung 61 mündet, in der einerseits ein Stromregelventil
62 angeordnet ist, andererseits eine Druckwaage 63. Die Druckwaage 63 besteht im
wesentlichen aus einem Steuerkolben 64, der durch
eine in einem
Steuerraum 66 angeordnete Feder 65 belastet ist. Der Steuerraum steht über eine
Leitung 67 mit der Leitung 39 in Verbindung, und zwar dort, wo sich das Wechselrückschlagventil
40 befindet. Der Steuerschieber 64 ist becherförmig ausgebildet, d.h. er hat eine
Sackbohrung 67 und zwei in diese eindringende Querbohrungen 68, die mit einer Ringnut
69 in Verbindung steht, in welche die Leitung 61 mündet. Von der Unterseite der
Druckwaage 63 führt eine Primärleitung 72 zu einem Proportional-Drosselventil 73,
das zur Volumenstrqmregelung der Verbraucher dient. Der Sollwert des Volumenstroms
kann über eine elektrische Eingabe 74 vorgewählt werden. Es ist im übrigen von bekannter
konventioneller Bauart und entspricht prinzipiell einem 4/2-Wegeventil mit fließenden
Übergängen zwischen den Schaltstellungen; es ist verschiebbar gegen eine Feder 75.
Von der Primärleitung 72 führt jeweils eine Teilleitung 78 und 80 zum Proporitonal-Drosselventil
73 zwecks doppelter Durchströmung. Sekundärseitig führen die Teilleitungen 77 und
79 zur Verbraucherleitung 43.
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Die'Steuereinrichtung arbeitet wie folgt: Wenn die Pumpe 11 Druckmittel
in die Förderleitung 16 fördert, so gelangt dies einerseits über das Rückschlagventil
28 in die Leitung 60 und über das sich öffnende Rückschlagventil 29 in die Leitung
32, wodurch der Druckspeicher 24 aufgeladen wird. Das Wegeventil 38 befindet sich
dabei in seiner Schaltstellung I. Der Druck in der Leitung 16 pflanzt sich auch
über die Leitung 15 zum Verstellkolben 14 fort und über die Steuerleitung 21 zum
Steuerventil 12. Wenn der Druckspeicher 34 auf den durch das Proportional-Vorsteuerventil
57 vorgegebenen Druck
aufgeladen und kein Verbraucher zugeschaltet
ist, wird die Pumpe 11 auf Nullförderung zurückgestellt. Dies kommt dadurch zustande,
daß über die Leitung 16 ein konstanter Steuerölstrom über das Stromregelventil 62
zum Proportione.3 Vorsteuerventil 57 fließt, das auf einen Druck eingestellt ist,
der dem maximalen Druck des Druckspeichers entspricht.
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Dieser Druck wirkt über die Leitungen 55, 41, das Wechselrückschlagventil
42 und die Leitung 23 zum Steuerventil 12 fort und stellt es so ein, daß der Verstellkolben
13 entlastet wird. Der Druck am Verstellkolben 14 stellt nun die Pumpe zurück.
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Der Druckspeicher wird nur zugeschaltet, wennn im Verbraucherkreis
eine größere Druckmittelmenge benötigt wird als sie die Pumpe 11 zu fördern vermag.
Daraus ist auch gleich zu erkennen, daß durch die Verwendung eines Druckspeichers
eine geringere Antriebsleistung erforderlich ist.
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Es sei angenommen, daß der Verbraucher 45 eingeschaltet wird durch
entsprechende Einstellungen des Ventils 48.
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Dadurch wird das Rückschlagventil 50 von seinem Sitz abgehoben, und
Druckmittel fließt in die Leitungen 80 zum Hydromotor 45. Dieser soll trotz wechselnder
Belastung mit konstanter Drehzahl angetrieben werden. Dafür sorgt das Proportional-Drosselventil
73 mit Lastkompensation Da der Druckmittelbedarf nicht übermäßig groß ist, genügt
hier Pumpenbetrieb, der Druckspeicher ist abgeschaltet.
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Der für den Hydromotor notwendige Druckmittelstrom wird am Proportional-Drosselventil
73 eingestellt. Über die Leitungen 60, 61 fließt nun ein konstanter Steuerölstrom
über das Stromregelventil 62 in die Leitung 55 und über das Rückschlagventil 36
in die Verbraucherleitung 43. Das
Druckgefälle am Stromregelventil
62 entspricht dabei dem Druckgefälle am Steuerventil 12 der Verstellpumpe durch
entsprechende Auslegung der Feder 24. Wenn das Steuerventil 12 beispielsweise auf
10 bar eingestellt ist, so entspricht dieser Druck dem Differenzdruck am Stromregelventil
62. Der Sekundärdruck des Stromregelventils 62 gelangt über die Leitungen 55, 41,
das geöffnete Wechselrückschlagventil 42, sowie die Leitungen 23 und 22 zur Federseite
des Steuerventils 12. Die Druckwaage 63 wird durch den im Druckspeicher herrschenden
Druck geschlossen, der sich zum Steuerraum 66 fortpflanzt über die Leitung 39 und
das sich öffnende Wechselrückschlagventil 40 sowie die Leitung 67. Der Steuerschieber
64 wird dadurch nach unten gedrückt und im geöffneten Zustand gehalten. Druckmittel
kann nun über die Leitungen 60, 61 sowie die geöffnete Druckwaage 63 in die Primärleitung
72 des Ventils 73 strömen. Das von der Pumpe 11 geförderte Druckmittel fließt nun
über die Druckwaage 64, die eitung 72 und je nach Stellung des Ventils 73 vom Primärkreis
in den Sekundärkreis, dann in die Leitung 43 und von hier zum Verbraucherkreis.
Der Hydromotor wird nun mit konstanter Drehzahl angetrieben, wobei das Ventil 73
den Erffordernissen entsprechend zwischen den Schaltstellungen I und II geschaltet
wird. Wenn der am Vorsteuerventil 57 eingestellte Sollwertdruck erreicht ist, fließt
der über das Stromregelventil 62 strömende konstante Steuerdruckmittelstrom nicht
mehr über das Rückschlagventil 36 in die Verbraucherleitung 43, sondern über das
sich öffnende Vorsteuerventil 57 zum Tank.
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Die Pumpe 11 wird jetzt auf Null zurückgestellt.
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Es sei angenommen, laß nun der Verbraucher 45 durch Umschalten des
Wegeventils 48 abgeschaltet wird, wodurch das
Rückschlagventil
50 schließt. Nun wird der Verbraucher 46 durch Schalten des Ventils 49 zugeschaltet,
wobei sich das Rückschlagventil 51 öffnet und Druckmittel in die Leitung 81 strömen
kann. Es sei weiterhin angenommen, daß der Verbraucher 46 kurzzeitig eine Druckmittelmenge
benötigt, die die Pumpe 11 nicht alleine mehr liefern kann.
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Diese könnte natürlich entsprechend größer ausgelegt sein, was jedoch
einen höheren Bau- und Antriebs-Energieaufwand bedeuten würde. Zu diesem Zweck wird
nun der Druckspeicher 34 an das Leitungsnetz angeschlossen. Dies geschieht dadurch,
daß das Wegeventil 38 in Schaltstellung II geschaltet wird.
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Dadurch wird der Druck im Federraum des Rückschlagventils 30 gesenkt.
Das Rückschlagventil 29 öffnet sich und Druckmittel kann aus der Leitung 32 in die
Leitung 16 strömen.
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Von hier gelangt es wieder - wie oben beschrieben - in die Leitungen
60, 61 und fließt nun über die Druckwaage 63 und das Ventil 73 in die Leitung 43
und zum Verbraucher 46. Im jetztigen Regelzustand fließt der am Stromregelventil
62 erzeugte konstante Steuerdruckmittelstrom in die Leitung 55 und das Rückschlagventil
36 wieder zu den Teilleitung 77, 79 des Ventils 75. Druckmittel gelangt aber auch
über die Leitung 39 und das sich öffnende Wechselrückschlagventil in den Steuerraum
66 der Druckwaage 63.
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Das Proportional-Drosselventil 73 und die Druckwaage 63 wirken jetzt
zusammen wie ein vorgesteuerte2-Wege-Stromregler. Das Regeldruckgefälle ergibt sich
durch die Kraft der Feder 65 der Druckwaage 63 und den geringen Öffnungsdruck des
Rückschlagventils 36.
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Bei Erreichen des Druck-Sollwerts am Vorsteuerventil 57 fließt das
Steuerdruckmittel über das Stromregelventil 62 und das geöffnete Vorsteuerventil
57 zum Tank 20. Die
Druckwaage 63 und das Vorsteuerventil 57 übernehmen
nun eine Druckminderfunktion. Bei Druckminderung von einem hohen auf einen niedrigen
Druckwert kann über das Vorsteuerventil 52 kurzzeitig Kompressionsvolumen abgebaut
werden. Die Pumpe 11 arbeit dabei wie ein hydraulisch angesteuerter Druckregler.
Steuerdruckmittel fließt nun aus dem Speicherkreis über das Wegeventil 38, die Drossel
47 und das Wechselventil 42 zum Vorsteuerventil 70. Dieses ist auf Maximaldruck
des Druckspeichers eingestellt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 entspricht weitgehend demjenigen
nacn Figur 1, so daß gleiche Teile mit denselben Ziffern bezeichnet sind. Es unterscheidet
sich im wesentlichen dadurch, daß eine zweite Pumpe 90 für die Aufladung des Druckspeichers
34 vorgesehen ist. Das Speicherladeventil 91 schaltet druckabhängig auf Neutralumlauf
der Pumpe. Eine weitere wesentliche Änderung ist die zusätzliche Verwendung eines
einstellbaren und eigengesteuerten Druckventils 93, das über eine Steuerleitung
94 an ein Rückschlagventil 95 angeschlossen ist, dessen Steuerraum 96 über eine
Leitung 97 mit dem Speicherkreis über eine Leitung 98 in Verbindung steht. Die Anordnungen
der Druckwaage 63 und des Stromregelventils 62 ist dieselbe, lediglich zeichnerisch
geringfügig anders dargestellt.
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Von der Leitung 61 zweigt eine Steuerleitung 99 ab und führt zur Vorderseite
des Rückschlagventils 95. Von diesem geht eine Leitung 100 aus und führt zu einem
Druckventil 101, das an sich dem Rückschlagventil 36 nach Figur 1 entspricht. Die
Leitung 94 mündet in die Leitung 43, welche wieder zu den verschiedenen Verbrauchern
führt.
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Dabei kann ein dritter Verbraucher 102 über eine Leitung 103 unmittelbar
an den Druckspeicher 34 angeschlossen sein.
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Mit dieser Steuereinrichtung erreicht man, daß der für die Verbraucher
45, 46 maximal notwendige Volumenstrom in der Leitung 43 bei unveränderter Größe
des Proportional-Drosselventils 73 wesentlich erhöht werden kann, und zwar mit Hilfe
des Druckventils 93, mit dem das Regeldruckgefälle p vorgewählt wird. Dies sei am
Beispiel des Betriebs mit Druckspeicher erklärt. Dieser wird wiederum durch Schalten
des Wegeventils 38 zugeschaltet. Es öffnet sich das Rückschlagventil 29, und das
Druckmittel fließt vom Druckspeicher über die Leitungen 16 und 60 sowie die Druckwaage
63 und das Proportional-Drosselventil 73 zum Hauptverbraucher, z.B. 46. Dieses Ventil
und die Druckwaage wirken hier als vorgesteuerte 2-Wege-Stromregler. Dabei fließt
ein konstanter Steuerdruckmittelstrom über das Stromregelventil 62 sowie über die
Leitung 94 zum Druckventil 93 und von diesem zur Sekundärleitung 77 des Ventils
73.
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Mit der Einstellbarkeit des Druckventils 93 kann - wie oben erwähnt
- das Regeldruckgefälle A p vorgewählt werden.
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Damit der Druckmittelstrom bei Druckspeicherbetrieb nicht über das
niedrig eingestellte Druckventil 101 fließt, ist zwischen diesem und dem Stromregelventil
62 das gesteuerte Rückschlagventil 95 geschaltet, das über das Wegeventil 38 zugeschaltet
wird.
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Die beschriebenen Steuereinrichtungen eignen sich insbesondere für
die Steuerung einer Spritzgießmaschine, wobei der Hydromotor 75 zum Plastifizieren
dient und der Verbraucher 46 als Spritzzylinder ausgebildet ist, der nach dem Abschalten
des Hydromotors zugeschaltet wird. Wenn dort der Höchstdruck auf einen niedrigeren
Nachdruck abgesenkt werden muß, wird über das Staudruckventil 52 Druckmittel von
der Leitung 81 zur Leitung 83 und in die Rückleitung 84 abgesteuert.
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Mit der vorgeschlagenen Steuereinrichtungen ist es möglich, eine kombinierte
Volumen- und Druckprogrammierung sowohl für Durchschnitts- als auch Spitzenverbrauchern
zu schaffen.
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Die mittleren Verbraucher werden energiesparend über die mit Hilfe
der Proportional-Ventile 57 und 73 geregelte Verstellpumpe 11 versorgt. Mit dem
Zuschalten des Druckspeichers wird der Spitzenverbraucher versorgt, außerdem fördert
dann die Pumpe 11 automatisch in den Druckspeicherkreis.
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Die Volumenstrom-Re,elung erfolgt im vorgesteuerten 2-Wege-Stromregelsystem,
die Druckminderung im vorgesteuerten 3-Wege-Druckmindersystem. Der Geräteaufwand
an Proportionaltechnik ist gering, da nur ein Proportionaldrosselventil 73 und nur
ein Proportionalvorsteuerventil 57 für zwei Antriebssysteme eingesetzt sind.
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