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Steuereinrichtung zur Zugkraftregelung eines
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an einem Fahrzeug angelenkten Bodenbearbeitungsgerätes Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Steuereinrichtung zur Zugkraftregelung eines an
einem Fahrzeug angelenkten Bodenbearbeitungsgerätes, insbesondere eines am Schlepper
angelenkten Pfluges, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es ist schon eine solche Steuereinrichtung aus der DE-OS 26 34 530
bekannt, bei der ein hydromechanischer Kraft-Dralek-Wandler im Unterlenker eines
Anlenkgestänges angeordnet ist und hydraulisch auf eine als Folgesteuerung arbeitende
Stelleinrichtung wirkt, die ihrerseits über ein mechanisches Gestänge das Steuerglied
eines Regelvegev-entils beeinflußt. Nachteilig bei dieser Steuereinrichtung ist
einmal die relativ aufwendige Bauweise, da eine zusätzliche Stelleinrichtung notwendig
ist, für den Steuerkreis zwei Pumpen vorgesehen
sind und ein rein
mechanischer Istwertgeber im Gestänge zwischen Stelleinrichtung und Regelwegeventil
eingreift. Obwohl hier die Kraftmeßeinrichtung ohne elastisches Glied wie eine Meßfeder
baut und daher an sich schwingungsärmer arbeiten sollte, führt doch die aufwendige
Verarbeitung und Umwandlung der Signale zu einer verhältnismäßig ungenauen schwingungsempfindlichen
Arbeitsweise. Die Stelleinrichtung ist speziell auf diese Steuereinrichtung abgestimmt
und baut mit ineinander gleitenden Kolben teuer. Ferner hat diese Steuereinrichtung
den Nachteil, daß bei Ausfall der Steuerölpumpe für die Stelleinrichtung das Regelventil
auf Senken schaltet und der Kraftheber sinkt, was zu einer beachtlichen Unfallgefahr
führen kann.
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Ferner ist aus der DE-OS 28 11 585 eine hydraulische Steuereinrichtung
zur Zugkraftregelung eines an einem Schlepper angelenkten Pfluges bekannt, deren
hydraulischer Steuerkreis für das Regelwegeventil als Vollbrückenschaltung mit Ist-
und Sollwertgebern ausgebildet ist. Obwohl hier mit der Brückenschaltung eine vorteilhafte
Singnalverarbeitung möglich ist, hat diese Steuereinrichtung doch den Nachteil,
daß die Kraftmeßeinrichtung mit einem elastischen Glied arbeitet, das hier als Blattfeder
ausgebildet ist.
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Eine solche Meßfeder neigt aber im Betrieb zu unerwünschten Schwingungen.
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Ferner ist aus der DE-PS 1 153 565, Figur 4 eine hydraulische Steuereinrichtung
zur Zugkraftregelung bei einem Schlepper mit angelenktem Pflug bekannt.
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Beisle llnt(!tlenker sowie der Oberlenker eines Anlenkgestänges sind
am Gehäuse des Schleppers jeweils über einen Zwischenhebel gelagert, von denen jeder
auf einen hydromechanischen Kraft-Druck-Wandler einwirkt. Die hydraulischen Ausgänge
dieser Wandler sind miteinander und mit einem Stellkolben des Regelwegeventils verbunden,
wodurch für eine Summenregelung eine rein hydrostatische Signalverarbeitung stattfindet.
Obwohl hier in vorteilhafter Weise durch Verwendung von Hebelgetrieben die Wandler
nur mit Bruchteilen der zu messenden Kräfte beaufschlagt werden, hat diese Steuereinrichtung
doch den Nachteil, daß die Wandler mit elastischen Gli-edern arbeiten und daher
die Steuereinrichtung zu Schwingungen im Betrieb neigt. In jedem Wandler wird die
zu messende Kraft mit Hilfe einer Feder in ein Druckmittelvolumen am hydraulischen
Ausgang des Wandlers umgeformt, das zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung
steht. Mit einer hydrostatischen Signalverarbeitung lassen sich aber die an eine
derartige Steuereinrichtung gestellten Anforderungen kaum erfüllen.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, hat demgegenüber den Vorteil,
daß sie bei einfac-her Bauweise und mit geringem Aufwand ohne elastisches Glied
in der Kraftmeßeinrichtung auskommt und daher eine schwingsarme Arbeitsweise erlaubt.
Durch
die unmittelbare Signalverarbeitung der Istwerte ohne zusätzliche
Meßfeder und über eine hydraulische Brückenschaltung wird die Dynamik und die Genauigkeit
der Steuereinrichtung erhöht. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
die Verwendung kleinbauender Wandler.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Steuereinrichtung
möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung gemäß Anspruch 4, wodurch eine
gesonderte Steuerölversorgung entfällt, da die Druckregelventile automatisch auf
den jeweils benötigten Druck abregeln. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
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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 der Steuereinrichtung zur Zugkraftregelung für
einen an einem Schlepper angelenkten Pflug in vereinfachter Darstellung, die Figuren
2 und 3 die konstruktive Ausbildung der in Figur 1 verwendeten Istwert- und Sollwertgeber,
Figur 4 den Steuerkreis von einer zweiten Ausführungsform der Steuereinrichtung,
die Figuren 5 und 6 die konstruktive Ausbildung der in Figur 4 verwendeten Istwert-
und Sollwertgeber und Figur 7
eine Variante eines Istwertgebers.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Figur 1 zeigt eine Steuereinrichtung
10 zur Zugkraftregelung eines an einem Gehäuse 11 über ein Dreipunkt-Anlenkgestänge
12 angelenkten Pfluges 13.
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Das Anlenkgestänge 12 weist einen ersten und einen zweiten Unterlenker
14 bzw. 15 auf, die jeweils an einem einarmig am Gehäuse 11 gelagerten Zwischenhebel
16 bzw. 17 schwenkbar befestigt sind. Zum Heben und Senken des Anlenkgestänges 72und
damit des Pfluges 13 wird ein Hubarm 18 von einem Kraftheber 19 betätigt, der tUeil
eines hydraulischen Arbeitskreises 21 ist. In dem hydraulisc-hen Arbeitskreis 21
liegt ferner eine Pumpe 22 sowie ein Regel-Wegeventil 23, dessen Steuerschieber
24 in der gezeichneten Mittelstellung 26 den Kraftheber 19 hydraulisch blockiert,
in einer Hebenstellung 28 letzteren (19) mit der Druckmittelquelle 22 verbindet
und in einer Senkenstellung 29 den Kraftheber 19 zum Tank 25 entlastet.
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In seiner Mittelstellung 26 ist der Steuerschieber 24 durch Federn
27 zentriert. Zum Auslenken des Steuerschiebers 24 in seine Hebenstellung 28 oder
seine Senkstellung 29 ist das Wegeventil 23 in einen hydraulischen Steuerkreis 31
geschaltet, der als Vollbrückenschaltung ausgebildet ist.
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Der hydraulische Steuerkreis 31 weist einen ersten (32), einen zweiten
(33) sowie einen dritten Brückenzweig 34 auf, die alle zusammen parallel an eine
Steuerölpumpe
35 angeschlossen sind und jeweils zu einem Tank 25 führen. Das Wegeventil 23 ist
mit seinen Steueranschlüssen in eine Brückendiagonale 36 geschaltet, die sich zwischen
dem ersten Brückenzweig 32 und dem dritten Brückenzweig 34 erstreckt.
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Im ersten Brückenzweig 32 liegt stromaufwärts von der Brückendiagonale
36 ein als Istwertgeber dienender hydromechanischer Kraft-Druck-Wandler 37. Der
Wandler 37, dessen konstruktive Ausbildung die Figur 2 näher zeigt, ist als Druckregelventil
ausgebildet. Der Wandler 37 nimmt in einem Zylinder 38 einen Kolben 39 auf, der
einen ersten Druckraum 41 von einem zweiten Druckraum 42 trennt. Durch den ersten
Druckraum 41 führt der erste Brückenzweig 32, wozu der Zylinder 38 einen Zulaufanschluß
43 sowie einen Ablauf an schluß 44 aufweist. Der Zulaufanschluß 43 wird von einem
mit dem Kolben 39 verbundenen Kolbenabschnitt 45 so gesteuert, daß ein steigender
Druck im ersten Druckraum 41 die Verbindung vom Zulaufanschluß 43 zum Druckraum
41 zuzusteuern versucht. Der zweite Druckraum 42 weist einen Steueranschluß 46 auf.
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Ferner hat der Wandler 37 einen mechanischen Eingang 47, der als eine
mit dem Kolben 39 verbundener Stößel ausgebildet ist, welcher durch den zweiten
Druckraum 42 hindurch nah außen ragt. Der Zulaufanschluß 43 steht mit der Steuerölpumpe
35, der Ablaufanschluß 44 mit der Brückendiagonale 36 und der Steueranschluß 46
mit einer Steuerleitung 48 in Verbindung. Am mechanischen Eingang 47 liegt der einarmige
Hebel 17 mit seinem freien Ende 49 an, so daß entsprechend dem Übersetzungsverhältnis
des Zwischenhebels 17 auf den Wandler 37 nur ein Bruchteil der im zweiten Unterlenker
15 herrschenden Kraft übertragen wird. Ferner liegt im ersten Brückenzweig 32 stromabwärts
vom Wandler 37
und der Brückendiagonale 36 eine feste Drosselstelle
51.
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In entsprechender Weise wie beim ersten Brückenzweig 32 sind im zweiten
Brückenzweig 33 ein zweiter Wandler 52 sowie eine feste Drosselstelle 53 in Serie
geschaltet.
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Der zwischen diesen beiden Widerständen 52, 53 herrschende Druck im
zweiten Brückenzweig 32 wird von der Steuerleitung 48 abgegriffen. Der zweite Wandler
52 unterscheidet sich vom ersten Wandler 37 lediglich dadurch, daß bei ffihm der
Steueranschluß 46 entfällt; im übrigen entspricht er der in Figur 2 gezeigten Bauart,
so daß gleiche Teile an ihm mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der zweite
Wandler 52 ist als Istwertgeber dem ersten Unterlenker 14 zugeordnet, weshalb er
mit einem mechanischen Eingang 47 an dem freien Ende 54 des einarmigen Zwischenhebels
16 anliegt.
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In den dritten Brückenzweig 34 sind in Serie ein als Sollwertgeber
dienendes Regelventil 55 sowie eine feste Drosselstelle 56 geschaltet. Die konstruktive
Ausbildung des Druckregelventils 55 ist in Figur 3 näher gezeigt. Es hat einen mit
der Steuerölpumpe 35 verbundenen Zulaufanschluß 57, sowie einen mit der Brückendiagonale
35 verbundenen Ablaufanschluß 58. Ein den Zulaufanschluß 57 übersteuerndes Schließglied
59 wird vom Druck im Ablaufanschluß 58 im schließenden Sinne und von einer über
einen Sollwertheben f3O verstellbaren Feder 61 in öffnendem Sinne beaufschlagt.
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Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung 10 nach Figur 1 wird wie folgt
erläutert:
Es sei davon ausgegangen, daß sich die Steuereinrichtung
10 im Gleichgewicht befinde, wobei die am Sollwertgeber 55 mit Hilfe des Hebels
60 voreingestellte Zugkraft durch eine entsprechende Eintauchtiefe des Pfluges 13
im Erdreich erreicht ist.
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In diesem Gleichgewichtszustand nimmt der Steuerschieber 24 des Regel-Wegeventils
23 die gezeichnete Mittelstellung 26 ein, wodurch er den Kraftheber 19 hydraulisch
blockiert. Über den Hubarm 18 und das Anlenkgestänge 12 wird der Pflug 13 somit
in seiner Lage gehalten und damit seine Arbeitstiefe konstant gehalten. Dabei fließen
von der Steuerölpumpe 35 Druckmittelströme über die Brückenzweige 32, 33, 34 zum
Tank 25. Entsprechend der im ersten Unterlenker 14 herrschenden Zugkraft regelt
der zweite Wandler 52 den Druck in seinem Ausgang 44, der über die Steuerleitung
48 dem ersten Wandler 37 aufgeschaltet wird.
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Der zweite Wandler 37 regelt den Druck in seinem Ablaufanschluß 44
in Abhängigkeit von der im ersten Unterlenker 15 herrschenden Zugkraft und von dem
im Steueranschluß 46 aufgeschalteten Druck. Dieser Druck am Ablaufanschluß 44 des
ersten Wandlers 37 gleicht nun dem Druck am Ablaufanschluß 58 des Sollwertgebers
55, wodurch der Steuerschieber 24 im Wegeventil 23 durch die Federn 27 in seiner
Mittellage 26 zentriert ist.
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Erhöht sich nun der Bodenwiderstand am Pflug 13, so vergrößern sich
anfangs die Zugkräfte in den Unterlenkern 14 und 15. Die Zwischenhebel 16 und 17
drücken dabei mit ihren freien Enden 54 bzw. 49 verstärkt auf die mechanischen Eingänge
47 der beiden Wandler 52 und 37. Im zweiten Wandler 52 wird dabei der Zulaufanschluß
43 verstärkt aufgesteuert, wodurch ih der
Druck im Ablaufanschluß
44 erhöht. Dieser erhöhte Druck wird über die Steuerleitung 48 in den zweiten Druckraum
42 des ersten Wandlers 37 übertragen. Zusammen mit der erhöhten Kraft am mechanischen
Eingang 47 führt dies im ersten Wandler 37 dazu, daß der Kolbenabschnitt 4, den
Zulaufanschluß 43 verstärkt aufsteuert und somit an seinem Ablaufanschluß 44 einen
Druck regelt, dessen Größe zur Summe der Zugkräfte in den Unterlenkern 14 und 15
proportional ist. Der erhöhte Druck am Ablaufanschluß 44 des ersten Druckwandlers
37 lenkt den Steuerschieber 24 in seine Hebenstellung 28 gegen die Kraft der Feder
27 aus, wodurch die Pumpe 22 Druckmittel zum Kraftheber 19 fördert. Der ausfahrende
Kolben des Krafthebers 19 schwenkt den Hubarm 18 im Uhrzeigersinn und damit das
Dreipunkt-Anlenkgestänge 12 mit dem Pflug 13 nach oben. Die Arbeitstiefe des Pfluges
13 im Boden wird dabei verringert und damit auch die auf die Unterlenker 14, 19
wirkenden 7Zugkräfte und zwar so lange, bis die Regelabweichung zu Null wird und
dabei der Steuerschieber 24 wieder in seiner Mittellage 26 zentriert ist.
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In entsprechend umgekehrter Weise werden bei verringertem Bodenwiderstand
die Zugkräfte in den Unterlenkern 14, 15 abnehmen und dementsprechend der erste
Wandler 37 den Druck in seinem Ablaufanschluß 44 auf einen niedrigeren Wert einregeln.
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Der Druck am Ablaufanschluß 58 des unverändert eingestellten Sollwertgebers
55 lenkt nun den Steuerschieber 24 gegen die Kraft der Feder 27 nach links aus in
seine Senkenstellung 29, wodurch der Kraftheber 19 zum Tank 25 entlastet wird. Der
Hubarm 18
schwenkt nun entgegen dem Uhrzeigersinn, wodurch der
Pflug 13 tiefer ih das Erdreich eindringen kann.
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Diese Senkbewegungen des Pfluges 13 kommen zum Stillstand, wenn der
erhöhte Bodenwiderstand wieder zu größeren Zugkräften in den Unterlenkern 14, 15
führt, und die Wandler 52, 37 dementsprechend den Druck in der Brückendiagonale
36 abgleichen, so daß der Steuerschieber 24 wieder in seiner Mittelstellung 26 zentriert
wird.
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Unabhängig von den geschilderten Regelvorgängen infolge sich ändernden
Bodenwiderstands kann die Größe der gewünschten Zugkraft mit dem Hebel 60 am Sollwertgeber
55 eingestellt werden. Dabei wird durch Änderung des Druckes am Ablaufanschluß 58
die aus dem erstem Brücken zweig 32 und dem dritten Brückenzweig 34 bestehende Vollbrücke
aus dem Gleichgewicht gebracht, wodurch das Wegeventil 23 den Kraftheber 19 mit
Druckmittel beaufschlagt oder entlastet und damit zu einer entsprechenden Heben-
oder Senkbewegung des Pfluges 13 führt. Mittels einer Druckerhöhung im Ablaufanschluß
58 des Sollwertgebers 55 wird ein Senken des Pfluges 13 und damit eine erhöhte Zugkraft
in den Unterlenkern 14, 15 erreicht.
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Umgekehrt verursacht eine Drucksenkung im Ablaufanschluß 58 des Sollwertgebers
55 ein Ausheben des Pfluges 13 und damit eine verringerte Zugkraft in den Unterlenkern
14, 15.
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Durch die Ausbildung aller Istwertgeber 37, 52 und des Sollwertgebers
55 als Druckregelventil und deren Schaltung in den jeweiligen Brückenzweigen 32,
33, 34
stromaufwärts von der Brückendiagonale 36, bzw.
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dem Abgriff der Steuerleitung 48 kann in vorteilhafter Weise eine
gesonderte Steuerölpumpe 35 entfallen, da durch die Druckregelventile der Druck
automatisch abgeregelt wird. Zudem hat diese Ausbildung den Vorteil, daß eine Verlustleistung
auf der Steuerseite nur während des Regelvorganges auftritt.
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Die Figur + zeigt als Teil einer zweiten Steuereinrichtung 70 im wesentlichen
den hydraulischen Steuerkreis 71, der sich vom ersten Steuerkreis 31 nach Figur
1 vor allem dadurch unterscheidet, daß für die Istwert- und Sollwertgeber anstelle
von Druckregelventilen nun Druckbegrenzungsventile verwendet werden, die nun stromabwärts
von der Brückendiagonale in den entsprechenden Brückenzweigen liegen. Im übrigen
werden für gleiche Teile wieder gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Im ersten Brücken zweig 32 liegt nun ein erster Wandler 72, der im
Prinzip die Aufgabe des ersten Wandlers 37 nach Figur 1 übernimmt. Entsprechend
zu Figur 1 liegt im zweiten Brückenzweig 33 der ebenfalls als Istwertgeber dienende,
zweite Wandler 73.
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In den dritten Brückenzweig 34 ist als Sollwertgeber ein Druckbegrenzungsventil
74 geschaltet. Die konstruktive Ausbildung des ersten Wandlers 72 ist in Figur 5
näher gezeigt; für entsprechende Bauteile wie in Figur 2 werden dabei gleiche Bezugszeichen
verwendet. Der erste Wandler 72 unterscheidet sich von dem Wandler 37 nach Figur
1 lediglich dadurch, daß sein Kolben 39 nun den Ablaufanschluß 44 übersteuert und
daher der Druck im Zulaufanschluß 43 auch im ersten Druckraum 41 und somit auf den
Kolben 72 wirkt. Der zweite Wandler 73 unterscheidet sich
vom ersten
Wandler 72 nur dadurch, daß in entsprechender Weise wie in Figur 1 der Steueranschluß
46 entfällt. Die Bauart des Sollwertgebers 74 nach Figur 4 ist näher in Figur 6
dargestellt.
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Entsprechend seiner Ausbildung als Druckbegrenzungsventil unterscheidet
sich der Sollwertgeber 74 von demjenigen nach Figur 3 lediglich dadurch, daß ein
Schließglied 59 entsprechend der Druckbegrenzungsfunktion den Ablaufanschluß 58
übersteuert, so daß das Schließglied 59 vom Druck im Zulaufanschluß 57 beaufschlagt
ist.
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Die Wirkungsweise der zweiten Steuereinrichtung 70 entspricht grundsätzlich
derjenigen der Steuereinrichtung 10 nach Figur 1, wobei jedoch die Istwerte und
der Sollwert mit Hilfe von Druckbegrenzungsventilen ermittelt werden. Der zweite
Wandler 73 steuert nun den Druck im zweiten Brückenzweig 33 stromaufwärts von ihm
abhängig von der Größe der im ersten Unterlenker 14 wirkenden Zugkraft. Der erste
Wandler 72 steuert den Druck im ersten Brückenzweig 32 stromauL'wärfi: von seinem
Zulaufanschluß 43 in Abhängigkeit von einer oummenwirkung aus den Zugkräften in
dem zweiten Unterlenker 15 und dem überlagerten Druck der Steuerleitung 48.
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Mit Hilfe des Druckbegrenzungsventils 74 läßt sich ein dem Sollwert
entsprechender Druck in der Brückendiagonale 36 steuern.
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Die Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wandlers 75,
die bei einem als Druckbcgrerizingsventil ausgebildeten, zweiten Istwertgeber 73
verwendbar ist.
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Der Wandler 75 ist im wesentlichen als hydrostatisches Lager ausgebildet,
und kann daher bei relativ kompakter
Bauweise große Kräfte aufnehmen.
Sein Ablaufanschluß 76 ist hier als Ringspalt ausgebildet.
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Bei vorliegenden Steuereinrichtungen 10, 70 arbeiten die als Kraftmeßeinrichtungen
dienenden Wandler somit ohne ein elastisches- Glied, wie z.B.
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eine Meßfeder, lie im Betrieb zu Schwingungen neigt.
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Vorliegende Steuereinrichtungen ermöglichen deshalb eine schwingungsärmere
Arbeitsweise. Begünstigt wird dies ferner durch die unmittelbare Signalverarbeitung
in einer Brückenschaltung. Zudem ermöglicht die Brückenschaltung eine getrennte
Erfassung der Zugkräfte in den Unterlenkern und eine einfache Summenbildung der
Meßwerte. Dies wiederum ermöglicht klein und kompakt bauende Wandler.
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Selbstverständlich sind Änderungen-an den gezeigten Ausführungsformen
möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann in den Steuerkreisen
31, 71 der dritte Brückenzweig 34 entfallen und statt dessen das Regel-Wegeventil
mechanisch angesteuert werden. Auch sind für die Wandler nach Figur 2 und Figur
5 auch Formen möglich, wobei die Wandler aus doppelt wirkenden Zylindern mit zugeordneten
Ventilen bestehen, welche je nach Funktion als Druckregelventil oder als Druckbegrenzungsventil
den Zulauf-bzw. den Ablaufanschluß übersteuern. Sollen bei derartigen Steuereinrichtungen
nicht nur Zugkräfte in den Unterlenkern 14, 15 gemessen werden, sondern auch Druckkräfte,
so kann dies durch ein Vorspannen der Wandler mit Hilfe einer Feder erreicht werden.
Für die Druckmittelversorgung des Steuerkreises sind verschiedene Formen mit gemeinsamen
oder getrennten Pumpen oder mit Energiespeichern möglich. Bei Verwendung
der
Druckregelventile nach Figur 1 kann in vorteilhat er Weise der Arbeits- und der
Steuerkreis von einer gemeinsamen Pumpe mit Druckmittel versorgt werden, wobei der
von zusätzlichen Wegeventilen angedrosselte Umlaufdruck für den Steuerkreis zur
Verfügung steht; der Umlaufdruck muß dabei einen ausreichend hohen Wert annehmen.