DE3404534C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine hydraulische Antriebsanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.

Eine derartige Steuereinrichtung ist bekannt ("Ölhydraulik und Pneumatik", 26 (1982) Nr. 2, Seiten 74 bis 82 bzw. P 33 30 367). Eine solche Steuereinrichtung kann im Vierquadrantenbetrieb arbeiten, also in jeweils beiden Drehrichtungen Energie abgeben und Energie aufnehmen, wobei die hydrostatische Arbeitsmaschine entweder als Motor oder Pumpe arbeitet.

Da bei der bekannten Drehzahlregelung die Tachomaschine abhängig von der Drehrichtung als Pumpe oder Motor arbeitet, muß neben der hydrostatischen Tachomaschine im Steuerkreis noch eine weitere Druckquelle, nämlich eine hydrostatische Hilfsmaschine vorgesehen sein oder muß aus der Leitung mit eingeprägtem Druck, also aus der Hochdruckleitung Arbeitsmittel über ein Druckminderventil in den Steuerkreis einströmen, um das Steuerventil zum Umsteuern der Arbeits­ maschine in die andere Drehrichtung betätigen zu können. Beide Maßnahmen bedingen Energieverluste und einen baulichen Mehraufwand. Es ist auch bekannt, bei einschlägigen Steuer­ einrichtungen als Steuerventil ein Schaltventil vorzusehen, das zur Umschaltung der Drehrichtung elektrisch betätigbar ist und zwischen diesem Schaltventil und der Stelleinrich­ tung ein Vorsteuerventil vorzusehen. Das Steuerdrucksystem ist dabei über ein Druckminderventil an das Drucknetz ange­ schlossen. Über in der Steuerdruckleitung angeordnete Dros­ seln geht auch im stationären Betrieb Steuerenergie aus dem Drucknetz verloren.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Steuerung der hydrostatischen Arbeitsmaschine für beide Drehrichtungen so auszubilden, daß die Energieverluste mög­ lichst gering sind und ein verbessertes Drehzahlregelsystem erzielt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt die Umschaltung des Steuerventils für die Wahl der Drehrichtung und zur Einstellung des Stell­ organs der hydrostatischen Maschine abhängig von dem Steuer­ druck, der für die eine Drehrichtung an der einen Drossel auf einen Wert eingestellt wird, der unterhalb dem das Steuerventil im Gegensinn beaufschlagenden Servodruck liegt, und der für die gegenläufige Drehrichtung an der anderen Drossel auf einen Wert eingestellt wird, der oberhalb dem Servodruck liegt, so daß das Steuerventil in der Gegen­ richtung beaufschlagt wird. Es ist somit für jede Dreh­ richtung eine Drossel zur Einstellung des Druckes vorge­ sehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nach Patentanspruch 2 arbeitet die Tachomaschine auch im geschlossenen Kreislauf, wenn für die gegenläufige Drehrichtung der Druck am Steuer­ ventil größer sein muß als der gegensinnig auf das Steuer­ ventil wirkende Servodruck. Dabei fördert die Tachomaschine das durch die zweite Drossel abströmende Strömungsmittel für das Rückschlagventil zurück in die Leitung höheren Druckes. Es wird somit von der Tachomaschine gelieferte Steuerstrom wieder in das System zurückgefördert, aus dem es entnommen worden ist. Somit weist die Steuereinrichtung nahezu keine Energieverluste auf, da lediglich der vernach­ lässigbar kleine Leckstrom der Tachomaschine zu ersetzen ist.

Ferner sind Unteransprüche darauf gerichtet, wie der Servo­ druck erzeugt wird, der zur Beaufschlagung des Steuerventils gegensinnig zum Steuerdruck erforderlich ist, sowie auf weitere Maßnahmen zur Verbesserung des Regelverhaltens und der Ausbildung des Steuerventils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeich­ nung zeigt einen Regelkreis für die hydrostatische Arbeits­ maschine mit umkehrbarer Drehrichtung in schematischer Dar­ stellung.

In der Zeichnung ist eine hydrostatische Arbeitsmaschine 10 über ein entsperrbares Rückschlagventil 11 mit einer Druckleitung 12 verbunden, in der ein eingeprägter Kon­ stantdruck aufrechterhalten wird. Ferner ist an die Ar­ beitsmaschine 10 ein hydraulischer Speicher 14 ange­ schlossen.

Die Arbeitsmaschine 10 ist mit einer nicht dargestellten Last verbunden. Zum Antrieb der Last arbeitet die Arbeits­ maschine 10 als Motor und entnimmt Druckmittel aus der Leitung 12 bzw. aus dem Speicher 14. Wird dagegen die Arbeitmaschine von der Last her angetrieben, so ar­ beitet sie als Pumpe und fördert Arbeitsmittel in den Speicher 14 bzw. in die Leitung 12.

Das Verdrängungsvolumen der Arbeitsmaschine 10 ist ver­ änderlich und wird von einem Verstellzylinder 16 einge­ stellt, mit dem das Schwenkorgan der Arbeitsmaschine von der Stellung 0 aus (Verdrängervolumen = 0) in beiden Richtungen stufenlos verstellbar ist. Entsprechend dem vom Verstellzylinder 16 eingestellten Verdrängervolumen der Arbeitsmaschine 10 gibt diese ein Abtriebsmoment an die Last ab. Ist das Abtriebsmoment größer als das von der Last bei einer erwünschten Betriebsdrehzahl erforder­ liche stationäre Drehmoment, so wird der Abtrieb be­ schleunigt. Bei einem Momentenfehlbedarf findet eine ent­ sprechende Verzögerung statt. Zur Drehrichtungsumkehr muß das Schwenkorgan der Arbeitsmaschine bei gleich­ bleibender Durchflußrichtung des Arbeitsmittels über die Nullage verschwenkt werden.

Zur Einstellung des Verdrängervolumens sowie zur Vorgabe der Drehrichtung dient ein Mehrwege-Servoventil 20, das die Druckmittelwegen zwischen den Zylinderräumen 17, 18 beiderseits des Verstellkolbens 19 des Verstellzylinders 16 und einer Servodruckleitung 22 bzw. dem Tank T steuert. Zwischen dem Stellzylinder 16 und dem Servoventil 20 ist eine Kraftrückführung 23 eingebaut, die auf den Stell­ kolben des Servoventils wirkt, der nur noch Bewegungen um seine Nullage ausführt und deshalb praktisch keinen Ölstrom zu seiner Betätigung benötigt, wodurch die Regel­ genauigkeit erhöht ist.

Die Servodruckleitung 22 ist über ein Druckminderventil 25 an die Leitung 12 angeschlossen. Der Stellkolben des Servoventils 20 wird von einem Steuerdruck P _St und gegen­ sinnig von einem Servodruck P _{S 2} beaufschlagt. Aus noch zu erläuternden Gründen muß der Servodruck P _{S 2} kleiner als der Servodruck in der Servodruckleitung 22 sein, so daß ein weiteres Druckminderventil 26 vorgesehen ist. Über eine Leitung 27 wird der am Druckminderventil 26 eingestellte Servodruck P _{S 2} an den Stellkolben des Servo­ ventil 20 geführt.

Mit der Arbeitsmaschine 10 ist eine hydrostatische Maschi­ ne als Tachomaschine 30 gekuppelt. Der erste Anschluß 31 der Tachomaschine 30 ist über eine Leitung 32 mit je einer einstellbaren Drossel 33 und 34 verbunden. Der in der Leitung 32 herrschende veränderliche Steuerdruck P _St beaufschlagt den Stellkolben des Servoventils 20 gegensinnig zum konstanten Servodruck P _{S 2}. Die einstell­ bare Drossel 33 ist an die Servodruckleitung 22 und die einstellbare Drossel 34 an den Tank T angeschlossen. Der zweite Anschluß 36 der Tachomaschine 30 ist über die Lei­ tung 37 und ein Rückschlagventil 36 mit der Servodruck­ leitung 22 sowie über ein Rückschlagventil 39 mit dem Tank T verbunden. Zwischen den Anschlüssen 31 und 36 bzw. zwischen den Leitungen 32 und 37 ist eine Drossel 40 vor­ gesehen.

Die Wirkungsweise des Steuersystems ist folgende: Das an der Arbeitsmaschine 10 eingestellte Verdrängervolumen be­ stimmt das Drehmoment der Arbeitsmaschine. Abhängig von der Last stellt sich somit eine entsprechende Drehzahl der Arbeitsmaschine 10 ein. Die Tachomaschine 30 erzeugt einen diesen Drehzahl-Istwert proportionalen Steuerstrom, der über eine der Einstelldrosseln 33 oder 34 strömt. So­ mit entsteht in der Leitung 32 der Steuerdruck P _St , der auf das Servoventil 20 wirkt, an dem auf der Gegenseite der konstante Servodruck P _{S 2} anliegt. Ist das Kräftegleich­ gewicht an dem Servoventil gestört, so wird über das Ser­ voventil dem Verdrängerzylinder Arbeitsmittel aus der Ser­ vodruckleitung 22 zugeführt, das den Stellweg des Verdrän­ gerzylinders 16 verändert. Dadurch wird das Verdränger­ volumen der Arbeitsmaschine und das Drehmoment verändert, wobei sich über den Beschleunigungsanteil der Momenten­ änderung die Abtriebsdrehzahl der Arbeitsmaschine und damit auch der Steuerdruck P _St solange verändert, bis wieder Gleichgewicht am Servoventil 20 herrscht.

Für die Bestimmung der Drehrichtung der Arbeitsmaschine 10 ist für jede Drehrichtung eine eigene Drossel 33 bzw. 34 vorgesehen, mit der also die Drehrichtung sowie die Dreh­ zahl der Arbeitsmaschine einstellbar ist. Für die eine Drehrichtung wird beispielsweise die Drossel 33 geöffnet, wobei Druckmittel aus der Servodruckleitung 22 über die Leitung 32 zum Anschluß 31 der Tachomaschine 30 strömt, welche als Pumpe arbeitet und das Druckmittel über die Leitung 37 und das sich öffnende Rückschlagventil 38 in die Servodruckleitung 22 zurückfördert. Dabei stellt sich in der Leitung 32 ein Steuerdruck P _St ein, der zu­ sammen mit dem Konstantdruck P _{S 2} einen Differenzdruck erzeugt, welcher das Servoventil 20 verstellt und den Verdrängerzylinder 16 entsprechend einstellt.

Soll die Drehrichtung der Arbeitsmaschine 10 umgekehrt werden, so wird die Drossel 33 geschlossen und dann die Drossel 34 geöffnet. Jetzt saugt die Tachomaschine 30 über das Rückschlagventil 39 aus dem Tank Arbeitsmittel an und drückt diese in die Leitung 32, von wo es über die Drossel 34 zum Tank zurückströmt. Auch hier stellt sich in der Leitung 32 ein Steuerdruck 32 ein, der zu­ sammen mit dem Servodruck P _{S 2} eine Druckdifferenz ergibt, welche das Servoventil 20 so verstellt, daß der Verdrän­ gerzylinder 19 in der anderen Richtung eingestellt wird.

Damit in beiden Drehrichtungen der Arbeitsmaschine 10 positive und negative Druckdifferenzsignale P _{S 2} - P _St erhalten werden, muß der Servodruck in der Leitung 22 über das Druckminderventil 26 weiter abgesenkt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Steuersystem sind praktisch alle Energieverluste vermieden, da die Tachomaschine 30 in beiden Drehrichtungen im geschlossenen Kreislauf, nämlich einmal über den Tank und andererseits über die Servodruckleitung 22 arbeitet. Damit muß lediglich der Leckstrom der Tachomaschine 30 ersetzt werden, der ver­ nachlässigbar klein ist.

Über die Drossel 40 wird der Aufbau bzw. Abbau des Steuerdrucks P _St verzögert, so daß plötzliche Druck­ änderungen vermieden werden und die Stabilität der Rege­ lung verbessert wird.

In der Zeichnung ist für jede Drehrichtung ein eigenes Stromregelventil 33 bzw. 34 in Gestalt einer einstell­ baren Drossel verwendet. Beide Stromregelventile können auch in einem einzigen Ventil mit Stromreglerfunktion zusammengefaßt werden. Es handelt sich dann um ein in zwei Richtungen wirkendes Proportionalventil mit Strom­ reglerfunktion, in dessen Mittelstellung die Leitung 32 gegenüber dem Tank T bzw. der Servodruckleitung 22 abge­ schlossen sein muß, um zu vermeiden, daß die Leitung 32 gleichzeitig mit dem Tank und der Servodruckleitung 22 verbunden wird.

Der hydraulischen Regelung kann ein elektrischer Drehzahl­ regelkreis überlagert sein. Hierzu liefert ein elektri­ scher Tachogenerator 42 ein dem Istwert der Drehzahl der Arbeitsmaschine 10 entsprechendes Signal, das in einem Vergleicher 43 mit einem den gewünschten Drehzahl-Soll­ wert darstellenden Signal verglichen wird. Die Regelab­ weichung wird einem Stellglied 44 zugeführt, dessen Stell­ signal die Einstellung der Drossel 33 bzw. 34 über eine Leitung 45 bewirkt.

Der hydraulische Regelkreis weist über das von der Tacho­ maschine 30 beeinflußte Steuerdrucksignal P _St ein sehr rasches Ansprechverhalten auf, so daß ein verhältnismäßig leistungsstarkes schnelles Istwertsignal erzeugt wird, das eine rasche Verstellung des Verdrängungsvolumens der Arbeitsmaschine 10 bewirkt. Das Ansprechverhalten der elektrischen Drehzahlregelung läßt sich dagegen durch das Regelverhalten des Reglers 43, 44 so einstellen, daß einerseits das sehr gute dynamische Verhalten des hydrau­ lischen Druckregelkreises erhalten bleibt und andererseits die durch den hydraulischen Regelkreis bedingte stationäre Regelkennung mit großen Regelabweichungen entscheidend verbessert wird und ein integrales Regelverhalten zeigt, von dem Regelabweichungen zu Null gemacht werden.

Claims (7)

1. Steuereinrichtung für eine hydrostatische Arbeits­ maschine mit verstellbarem Verdrängervolumen, die an eine Leitung mit eingeprägtem Druck angeschlossen ist und deren Stellorgan über den Schwenkwinkel Null in beiden Richtun­ gen verstellbar ist, mit einer mit einer mit der Arbeits­ maschine gekuppelten hydrostatischen Tachomaschine, die einen dem Drehzahl-Istwert der Arbeitsmaschine proportiona­ len Steuerstrom erzeugt, mit einer einerseits mit dem Tank und andererseits mit einem ersten Anschluß der Tacho­ maschine verbundenen einstellbaren Drossel, wobei in der Steuerdruckleitung zwischen der Drossel und der Tacho­ maschine ein Steuerdruck P _St erzeugt wird, der ein Steuer­ ventil gegensinnig zu einem Servodruck P _{S 2} zur Betätigung des Stellzylinders beaufschlagt und wobei der zweite Anschluß der Tachomaschine über ein in Richtung der Tacho­ maschine öffnendes Rückschlagventil mit dem Tank verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (20) von dem an der vorgenannten Drossel (34) eingestellten, unter dem Servodruck P _{S 2} liegenden Steuer­ druck P _St in eine die erste Drehrichtung bestimmende Stellung beaufschlagt ist und von einem an einer weiteren Drossel (33) eingestellten, über dem Servodruck P _{S 2} lie­ genden Steuerdruck P _St in eine die zweite Drehrichtung bestimmende Stellung beaufschlagt ist und daß die weitere Drossel (33) zwischen einer Leitung (22) mit höherem Druck als der Servodruck P _{S 2} und die Steuerdruckleitung (32) angeschlossen ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leitung (22) mit höherem Druck als der Servodruck über ein in Richtung der Leitung öffnendes Rückschlagventil (38) an den zweiten Anschluß (36) der Tachomaschine (30) angeschlossen ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (31) der Tachomaschine mit dem zweiten Anschluß (36) über eine Drossel (40) verbunden ist.

4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstell­ baren Drosseln (33, 34) Stromreglerventile sind.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstell­ baren Drosseln (33, 34) in einem Proportionalventil mit Stromreglerfunktion zusammengefaßt sind.

6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Servo­ druckleitung (22) über ein Druckminderventil (25) an die Leitung (12) mit eingeprägtem Druck angeschlossen ist, von der Servodruckleitung über das Servoventil (20) die Zylin­ derräume des Verstellzylinders (16) beaufschlagbar sind, und der Steuerdruck P _{S 2} zum Beaufschlagen des Servoventils (20) gegensinnig zum Steuerdruck P _St in einem an die Servo­ druckleitung (22) angeschlossenen Druckminderventil (26) erzeugt wird.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch betätigbaren einstellbaren Drosseln (33, 34) vom Ausgangs­ signal eines übergeordneten elektrischen Reglers (42, 43, 44) betätigbar sind, dem ein aus einem Sollwertsignal und einem in einem mit der Arbeitsmaschine (10) gekuppelten Tacho­ generator (42) erzeugtes Drehzahl-Istwertsignal gebildetes Differenzsignal zugeführt wird.