DE3733677A1 - Lastunabhaengige steuereinrichtung fuer hydraulische verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lastunabhängige Steu­ ereinrichtung für hydraulische Verbraucher nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Solche Steuereinrichtungen werden sehr häufig in auf der Grundlage des Loadsensing-Prinzips bzw. des Stromregler- Prinzips arbeitenden Hydrauliksystemen mit intermittieren­ dem Betrieb, beispielsweise für mobile Arbeitsmaschinen mit mehreren hydraulischen Verbrauchern, angewendet.

Bei den bekannten derartigen Steuereinrichtungen sind Schaltfunktionen der Steuereinrichtung unmittelbar mit der Volumenstromregelung vom und zum hydraulischen Verbraucher verknüpft, d.h., sie werden mittels eines einzigen hydrau­ lischen Bauelements durchgeführt; hierdurch ergibt sich hinsichtlich der Steuer- und Regelfunktionen des hydrau­ lischen Bauelements eine Begrenzung der Dynamik und der Genauigkeit. Beispielsweise ergeben sich insoweit Nach­ teile für das Ansprechverhalten der Steuereinrichtung, als beim Anschließen der zum Verbraucher führenden Verbrau­ cherleitung immer erst ein allmählicher Druckaufbau in der Verbraucherleitung stattfinden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerein­ richtung für hydraulische Verbraucher zu schaffen, mit der das Ansprechverhalten eines Verbrauchers verbessert werden kann und die einen weniger aufwendigen Aufbau als die aus dem Stand der Technik bekannten derartigen Steuereinrich­ tungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Steuereinrichtung mit einem Wegeventil und einem Servoventil ist es möglich, die Schaltfunktionen der Steuereinrichtung von den Volumen­ stromregelfunktionen derselben zu trennen. Die Betätigung des Wegeventils kann unabhängig von der des Servoventils erfolgen. Die separate Ausgestaltung von Wege- und Servo­ ventil ermöglicht eine einfache Ventilkonstruktion, die zugleich Vorteile hinsichtlich der Dynamik und der Genau­ igkeit im Regelkreis bietet. Die erfindungsgemäße Steuer­ einrichtung stellt für den Betrieb eines Hydrauliksystems zwei Betriebsarten zur Verfügung, nämlich erstens einen verlustfreien Standby-Betrieb, wenn das Wegeventil in seine Durchgangsstellung gestellt ist, und zweitens einen hochdynamischen und im Ansprechverhalten äußerst genauen Loadsensing-Betrieb, wenn das Wegeventil in seine Sperr­ stellung gestellt ist.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 stellt sicher, daß die Umstellung des Hydrauliksystems vom Standby-Be­ trieb auf den Loadsensing-Betrieb abgeschlossen ist, bevor das Servoventil die Volumenstromregelfunktion für den hydraulischen Verbraucher aufnimmt.

Eine hydraulische Betätigung der Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 3 ist angesichts der Verwendung der Steu­ ereinrichtung für Hydrauliksysteme mit besonders geringem Aufwand zu verwirklichen.

Durch die mechanische Koppelung zwischen Servo- und Wege­ ventil in Verbindung mit der Ausgestaltung der Stellglie­ der der beiden Stellkolben gemäß Patentanspruch 4, die eine separate Betätigung der beiden Ventile und eine unab­ hängige Steuerdruckbeaufschlagung des Servoventils ober­ halb eines bestimmten Grenzwerts für den Steuerdruck zuläßt, ist es möglich, beide Ventile mit insgesamt nur einem Steuerdruck zu betätigen, ohne daß die Funktion der Steuereinrichtung beeinträchtigt würde.

Die Kombination des Wegeventils mit einem Entsperrkolben für ein Rückschlagventil ermöglicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung in Hydrauliksystemen, die einen Verbraucherzweig aufweisen, der zeitweise her­ metisch abgeschlossen werden muß, beispielsweise einen hydraulischen Kraftheber.

Besonders vorteilhaft läßt sich die anmeldungsgemäße Steu­ ereinrichtung in gemäß Patentanspruch 6 von einer Ver­ stellpumpe gespeisten Hydrauliksystemen anwenden, da in derartigen Hydrauliksystemen keine wesentlichen Verluste entstehen, wenn die Verstellpumpe unter Lastdruck, d.h. im Loadsensing-Betrieb, gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ist jedoch, eine für eine Konstantpumpe angepaßte Ansteuerung von Servo- und Wegeventil vorausgesetzt, auch in von einer Konstant­ pumpe gespeisten Hydrauliksystemen mit vergleichbaren Vorteilen anwendbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsfor­ men unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hydrauliksystem mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung in einer ersten Ausführungs­ form;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Steuereinrich­ tung; und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Steuerein­ richtung.

Eine Pumpe 10, die eine Verstell- oder eine Konstantpumpe sein kann und die von einem Differenzdruckregler 20 so gesteuert wird, daß die Druckdifferenz Δ px über ein 4/3-Servoventil 30 konstant bleibt, speist durch eine Pumpenleitung P über das 4/3-Servoventil 30 zu einem nicht dargestellten hydraulischen Verbraucher führende Verbrau­ cherleitungen A, B, die durch eine an das 4/3-Servoventil 30 angeschlossene Tankleitung C in einen nicht darge­ stellten Tank entlastbar sind.

Aus der Pumpenleitung B zweigt stromauf des 4/3-Servoven­ tils 30 eine Steuerleitung X _LS ab, die mittels eines 2/2- Wegeventils 40 sperr- und durch eine Leitung 42 in einen Tank 41 entlastbar ist und über einen Leitungsabschnitt 43, ein Rückschlagventil 44, einen Leitungsabschnitt 45, ein Wechselventil 46 und einen Abzweig 47 bzw. 48 an die Verbraucherleitung B bzw. A stromab des 4/3-Servoventils 30 anschließbar ist. Diese Steuer- bzw. Lastmeldeleitung X _LS ist an den Differenzdruckregler 20 angeschlossen, der die Pumpe 10 entsprechend dem in der Steuerleitung X _LS herrschenden Steuerdruck regelt.

Ein Sollwertgeber 50, in den ein Sollwert W eingegeben wird, beaufschlagt Steuerdruckleitungen 51, 52 mit Steuer­ drücken X ₁ und X ₂, deren Druckdifferenz dem Sollwert W entspricht. Die Steuerdruckleitung 51 beaufschlagt mittels eines Abzweigs 53 ein Stellglied 54 des 4/3-Servoventils 30 und mittels eines Abzweigs 55 ein Wechselventil 56. Die Steuerdruckleitung 52 beaufschlagt mittels eines Abzweigs 57 ein Stellglied 5 S des 4/3-Servoventils 30, wobei das Stellglied 58 auf der dem Stellglied 54 entgegengesetzten Seite des nicht dargestellten Kolbenschiebers des 4/3- Servoventils 30 angeordnet ist, und mittels eines Abzweigs 59 ebenfalls das Wechselventil 56. Das 4/3-Servoventil 30 wird mittels auf beiden Seiten seines Kolbenschiebers angeordneter Federn 60, 61 in Richtung auf seine Ausgangs­ schaltstellung bzw. seine Sperrstellung D, in der seine sämtlichen Anschlüsse gesperrt sind, vorgespannt. Vom Wechselventil 56 führt ein Steuerleitungsabschnitt 62 zu einem Stellglied 63 des 2/2-Wegeventils 40, das durch eine Feder 64 in seine Durchgangsstellung I vorgespannt ist.

In der Ausgangsstellung der Steuereinrichtung befindet sich das 4/3-Servoventil 30 aufgrund der Wirkung der Federn 60, 61 in seiner Ausgangsschalt- bzw. Sperrstellung D. Das 2/2-Wegeventil 40 befindet sich aufgrund der Wirkung der Feder 64 in seiner Durchgangsstellung I. Dem­ gemäß ist die Lastmeldeleitung X _LS in den Tank 41 ent­ spannt, so daß der Differenzdruckregler 20 die Pumpe 10 im Standby-Betrieb steuert.

Sobald dem Sollwertgeber 50 ein Sollwert W eingegeben wird, beaufschlagt dieser, ausgehend von einem mittleren Druckniveau, die Steuerdruckleitungen 51 und 52 mit den sich gegensinnig verändernden Steuerdrücken X ₁ und X ₂. Der Steuerdruckunterschied X ₁-X ₂ wird entsprechend dem Soll­ wert W eingestellt.

Sobald der größere der beiden Steuerdrücke X ₁ bzw. X ₂ ein Schaltdruckniveau erreicht, das bis zur Hälfte des Steuer­ bereichs von X ₁ und X ₂ betragen kann, wird durch den Abzweig 55 bzw. 59, das Wechselventil 56 und den Steuer­ leitungsabschnitt 62 das Stellglied 63 so stark beauf­ schlagt, daß das 2/2-Wegeventil 40 gegen die Kraft der Feder 64 aus seiner Durchgangsstellung I in seine Sperr­ stellung K geschoben wird. In der Lastmeldeleitung X _LS baut sich Druck auf und demgemäß wird die Pumpe 10 in den Loadsensing-Betrieb umgeschaltet.

Das 4/3-Servoventil 30 wird infolge der unterschiedlich hohen Beaufschlagung seiner Stellglieder 54 bzw. 58 durch die Steuerdrücke X ₁ bzw. X ₂ gegen die Wirkung der Federn 61, 60 aus seiner Sperrstellung D in eine seiner zwei Arbeitsstellungen E bzw. F geschoben. Über die Größe der Öffnungsfläche seiner die Pumpenleitung B mit der Verbrau­ cherleitung A verbindenden Steuerkante bzw. seiner die Pumpenleitung P mit der Verbraucherleitung B verbindenden Steuerkante wird der Volumenstrom durch das 4/3-Servoven­ til 30 dosiert. Die Dosierung dieses Volumenstroms erfolgt lastunabhängig und entsprechend der Größe des Steuer­ druckunterschiedes X ₁-X ₂.

Sobald mittels des Sollwertgebers 50 der Steuerdruckunter­ schied X ₁-X ₂ beseitigt wird und beide Steuerdrücke X ₁, X ₂ das Schaltdruckniveau unterschreiten, werden das 2/2- Wegeventil 40 durch die Feder 64 in seine Durchgangs­ stellung I und das 4/3-Wegeventil durch die Wirkung der Feder 60, 61 in seine Ausgangsschalt- bzw. Sperrstellung D zurückgestellt; die Lastmeldeleitung X _LS ist in den Tank 41 druckentspannt, so daß die Pumpe 10 in den Standby- Betrieb zurückgeschaltet wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Steuer­ schaltung unterscheidet sich von der vorstehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform der Steuerschaltung dadurch, daß der nicht dargestellte Steuerkolben des 4/3- Servoventils 30 und der ebenfalls nicht dargestellte Steuerkolben des 2/2-Wegeventils 40 in einer gemeinsamen Verschiebeachse C angeordnet sind. Zwischen den einander gegenüberliegenden Steuerkolbenenden dieser Steuerkolben ist ein mechanisches Koppelglied 65 angeordnet, das in Anlage gegen beide Steuerkolbenenden bringbar ist. Auf dem dem Koppelglied 65 abgekehrten Steuerkolbenende des 4/3- Servoventils 30 ist dessen Steuerkolben durch die Feder 60 beaufschlagt; auf dem dem Koppelglied 65 abgekehrten Steuerkolbenende des 2/2-Wegeventils 40 ist dessen Steuer­ kolben durch die Feder 64 beaufschlagt. Das Stellglied 63 des 2/2-Wegeventils 40 weist eine größere Steuerfläche auf als das Stellglied 54 des 4/3-Wegeventils 30. Beide Stell­ glieder 54, 63 sind durch denselben und einzigen Steu­ erdruck X ₁ beaufschlagt.

In der Ausgangsstellung der Steuereinrichtung befindet sich das 4/3-Servoventil 30 aufgrund der Wirkung der Feder 60 und der mittels des mechanischen Koppelglieds 65 auf es übertragenen Wirkung der Feder 64 in seiner Ausgangs­ schalt- bzw. Sperrstellung D, d.h., die Feder 64 des 2/2- Wegeventils 40 wird auch zur Zentrierung des Steuerkolbens des 4/3-Servoventils 30 genutzt. Die Feder 64 bewirkt außerdem die Stellung des 2/2-Wegeventils 40 in dessen Durchgangsstellung I.

Sobald in der Steuerleitung 51 ein Steuerdruck X ₁ aufge­ baut wird, beaufschlagt dieser durch den Abzweig 62 das Stellglied 63 des 2/2-Wegeventils 40 und durch den Abzweig 53 das Stellglied 54 des 4/3-Servoventils 30. Da die Steuerfläche des Stellglieds 63 des 2/2-Wegeventils 40 größer als die Steuerfläche des Stellglieds 54 des 4/3- Servoventils 30 ist, wird zunächst des 2/2-Wegeventil 40 aus seiner Durchgangsstellung I in seine Sperrstellung K geschoben, so daß, wie oben beschrieben, die Pumpe 10 aus dem Standby-Betrieb in den Loadsensing-Betrieb geschaltet wird.

Der Steuerdruck X ₁ steigt sehr schnell weiter bis auf ein Neutralniveau an, in dem das 4/3-Servoventil 30 durch die Beaufschlagung seines Stellglieds 54 durch den Steuerdruck X ₁ gegen die Kraft der Feder 60 in seiner Sperrstellung D gehalten wird. Um zu vermeiden, daß das 4/3-Servoventil 30 nach dem Überschreiten des den Schaltvorgang des 2/2- Wegeventils 40 auslösenden Schaltdruckniveaus und vor dem Erreichen des Neutralniveaus seine Sperrstellung D für einen spürbaren Zeitraum verläßt, erfolgt der Anstieg des Steuerdrucks X ₁ auf das Neutralniveau mit einer großen Geschwindigkeit. Nachdem der Steuerdruck X ₁ das Neutral­ niveau erreicht hat, kann das 4/3-Servoventil 30 durch eine Absenkung des Steuerdrucks X ₁ unter das Neutral­ niveau, wobei die untere Grenze dieser Absenkung durch das Schaltdruckniveau vorgegeben ist, in seiner Arbeits­ stellung F, in die es durch die Feder 60 geschoben wird, zur Volumenstromregelung von der Pumpenleitung B zur Ver­ braucherleitung A und von der Verbraucherleitung B zur Tankleitung T in Abhängigkeit vom Steuerdruck X ₁ verwendet werden.

Durch einen Anstieg des Steuerdrucks X ₁ über das Neutral­ niveau hinaus kann das 4/3-Servoventil 30 in seiner Ar­ beitsstellung E, in die es durch die Beaufschlagung des Stellglieds 54 durch den die Kraft der Feder 60 über­ schreitenden Steuerdruck X ₁ geschoben wird, zur Volumen­ stromregelung von der Pumpenleitung P zur Verbraucher­ leitung B und von der Verbraucherleitung A zur Tankleitung D in Abhängigkeit vom Steuerdruck X ₁ verwendet werden.

Die Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß nur ein Steuerdruck X ₁ zu ihrer Betätigung benötigt wird. Dadurch werden im Ver­ gleich zur Steuereinrichtung gemäß Fig. 1 die zur Er­ zeugung des zweiten Steuerdrucks X ₂ erforderlichen Elemen­ te, z.B. magnetische oder elektrische Ansteuerteile, ein­ gespart. Bei der Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 ist für die Betätigung des den Schaltvorgang aus dem Standby- Betrieb in den Loadsensing-Betrieb auslösenden 2/2-Wege­ ventils 40 ein Teil des Steuerdruckbereiches reserviert, der demgemäß zur Volumenstromregelung durch das 4/3-Servo­ ventil 30 nicht verfügbar ist. Falls der Steuerdruck X ₁ nicht vorhanden ist, wird die Feder 64 des 2/2-Wegeventils 40 zur Fixierung des 4/3-Servoventils 30 in dessen Aus­ gangsschalt- bzw. Sperrstellung D genutzt.

Falls beispielsweise für den Steuerdruck X ₁ ein Steuer­ druckbereich von 0 bis 20 bar zur Verfügung steht, ist es durch eine entsprechende Auslegung der Federn 64 und 60 möglich, das Schaltdruckniveau, bei dem das 2/2-Wegeventil 40 in seine Sperrstellung K geschoben wird, auf 5 bar und das Neutralniveau, in dem das 4/3-Servoventil 30 in seiner Sperrstellung D gehalten wird, auf 12,5 bar festzusetzen, so daß zur Volumenstromregelung in der Arbeitsstellung F des 4/3-Servoventils 30 ein Steuerdruckbereich von 7,5 bar, nämlich zwischen 12,5 bar als oberem und 5 bar als unterem Grenzwert, als auch zur Volumenstromregelung in der Arbeitsstellung E des 4/3-Servoventils 30 ein Steuer­ druckbereich von 7,5 bar, nämlich zwischen 20 bar als oberem und 12,5 bar als unterem Grenzwert, zur Verfügung steht.

Es ist möglich, das 2/2-Wegeventil 40 gemäß Fig. 3 mit einem Betätigungselement für ein entsperrbares Rückschlag­ ventil bzw. Sperrventil 70 zu kombinieren; durch dieses Sperrventil 70, das zwischen den Abschnitten A und Z der Verbraucherleitung A, Z sitzt, ist eine leckölfreie Ab­ sperrung des Verbrauchers möglich, wie sie beispielsweise bei Zylindern mit Massenlast häufig erforderlich ist.

Zur besseren Übersichtlichkeit ist in Fig. 3 nur eine einzige Verbraucherleitung A, Z dargestellt, womit auch das zur Volumenstromregelung dienende Servoventil als 3/3- Servoventil 30 dargestellt ist.

Sobald das 2/2-Wegeventil 40 für den Loadsensing-Betrieb durch den höheren der beiden Steuerdrücke X ₁ oder X ₂ aus seiner Durchgangsstellung I in seine Sperrstellung K ge­ schoben wird, öffnet ein am 2/2-Wegeventil 40 angebrachter Entsperrkolben 66 das Sperrventil 70, indem er ein Sperr­ element 71 des Sperrventils 70 gegen die Kraft einer Feder 72 von einem Ventilsitz 73 abhebt. Die Verbindung zwischen den Verbraucherleitungsabschnitten A und Z wird herge­ stellt, so daß der Volumenstrom zum Verbraucher, falls das 3/3-Servoventil 30 seine Arbeitsstellung F einnimmt, bzw. der Volumenstrom vom Verbraucher, falls das 3/3-Servoven­ til 30 seine Arbeitsstellung E einnimmt, entsprechend dem Druckunterschied zwischen den Steuerdrücken X ₁ und X ₂ geregelt wird.

Sobald das 2/2-Wegeventil für den Standby-Betrieb aus seiner Sperrstellung K in seine Durchgangsstellung I durch Absenken bzw. Abbauen der Steuerdrücke X ₁, X ₂ geschaltet wird, wird das Sperrelement 71 durch die Feder 72 gegen den Ventilsitz 73 gedrückt, so daß das Sperrventil 70 schließt und der Abschnitt Z der Verbraucherleitung A, Z hermetisch geschlossen ist.

Offenbart ist eine lastunabhängige Steuereinrichtung für hydraulische Verbraucher, in deren Ausgangsstellung eine lastdruckführende Steuerleitung mit einem Tank verbunden ist. Die Steuereinrichtung hat ein Servoventil für den Verbraucher und ein Wegeventil, das unabhängig vom Servo­ ventil steuerbar ist und eine Sperrstellung sowie eine Durchgangsstellung aufweist, in der es die den Lastdruck führende Steuerleitung an den Tank anschließt.

Claims (5)

1. Lastunabhängige Steuereinrichtung für hydraulische Verbraucher, in deren Ausgangsstellung eine einen Lastdruck führende Steuerleitung mit einem Tank verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Servoventil (30) für den Verbraucher und ein Wegeventil (40) aufweist, das unabhängig vom Servoventil (30) steuer­ bar ist und eine Sperrstellung (K) sowie eine Durchgangs­ stellung (I) aufweist, in der es die den Lastdruck führen­ de Steuerleitung (K _LS ) an den Tank (41) anschließt.

2. Lastunabhängige Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (40) derart gesteuert ist, daß es aus der Durchgangsstellung (I) in die Sperrstellung (K) geschaltet ist, bevor das Servoven­ til (30) aufgesteuert ist.

3. Lastunabhängige Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (30) und das Wegeventil (40) hydraulisch schaltbar sind, wobei das Wegeventil (40) mit einem kleineren Steuerdruck (X ₁, X ₂) aus der Durchgangsstellung (I) in die Sperrstellung (K) schaltbar ist als das Servoventil (30) aus einer Ausgangs­ schaltstellung (D) in eine Arbeitsstellung (E, F).

4. Lastunabhängige Steuereinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ kolben des Servoventils (30) und der Steuerkolben des Wegeventils (40) in einer gemeinsamen Verschiebeachse (C) angeordnet sind und an ihren einander zugekehrten Steuer­ kolbenenden mittels eines mechanischen Koppelglieds (65) kraftschlüssig verbindbar sind, daß die einander abge­ kehrten Steuerkolbenenden der beiden Steuerkolben jeweils von einer Feder (60, 64) beaufschlagt sind, die das Servo­ ventil (30) in dessen Ausgangsschaltstellung (D) zurück­ schieben, wenn der Steuerdruck (X ₁) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, daß ausschließlich die einander zugekehrten Steuerkolbenenden steuerdruckbeaufschlagbare Stellglieder (53, 52) aufweisen, daß die Stellglieder (53, 62) durch denselben Steuerdruck (X ₁) beaufschlagt sind und daß die am Stellglied (63) des Wegeventils (40) vorge­ sehene Steuerfläche größer als die am Stellglied (53) des Servoventils (30) vorgesehene Steuerfläche ist.

5. Lastunabhängige Steuereinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem von einer Verstellpumpe gespeisten Hydrauliksystem ange­ ordnet ist.