DE3733677C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine lastunabhängige Steuereinrichtung
für hydraulische Verbraucher gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Solche Steuereinrichtungen werden sehr häufig in auf der
Grundlage des Loadsensing-Prinzips bzw. des Stromregler-Prinzips
arbeitenden Hydrauliksystemen mit intermittierendem 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 hydraulischen
Bauelements durchgeführt; hierdurch ergibt sich hinsichtlich
der Steuer- und Regelfunktionen des hydraulischen Bauelements
eine Begrenzung der Dynamik und der Genauigkeit. Beispielsweise
ergeben sich insoweit Nachteile für das Ansprechverhalten
der Steuereinrichtung, als beim Anschließen der zum Verbraucher
führenden Verbraucherleitung immer erst ein allmählicher
Druckaufbau in der Verbraucherleitung stattfinden kann.
Aus dem Dokument DE 25 14 624 A1 ist eine lastunabhängige
Steuereinrichtung für hydraulische Verbraucher gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Dabei ist ein von
einer Fühlerleitung zu seiner Verstellung beaufschlagbares
Wegeventil in einer neutralen Ausgangsstellung einer
Steuereinheit, in die ein Verbraucher nicht an eine Pumpe angeschlossen
ist, in eine Durchlaßstellung gestellt, in der es
eine Sammel-Fühlerleitung über eine Abflußleitung und eine
Rückflußleitung mit dem Tank verbindet. Nachdem die
Steuereinheit mittels eines externen Betätigungsorgans aus
ihrer Neutralstellung in eine ihrer Arbeitsstellungen gestellt
worden ist, in der der Verbraucher über Verbraucherleitungen
an die Pumpe angeschlossen ist, wird das Wegeventil
durch den sich in der Fühlerleitung aufbauenden Druck in
seine Sperrstellung bewegt, in der es den Durchgang zwischen
der Abflußleitung und der Rückflußleitung sperrt. Die Druckregelung
in den Verbraucherleitungen erfolgt durch ein
Druckeinstellventil, das stromauf der Steuereinheit angeordnet
ist.
Zur Regelung des den Verbraucher beaufschlagenden Volumenstroms
sind somit im Falle der bekannten Steuereinrichtung
die Steuereinheit und das Druckeinstellventil erforderlich.
Das Wegeventil wird darüber hinaus erst dann in die Sperrstellung
gebracht, wenn die Steuereinheit und das Druckeinstellventil
die Volumenstromregelfunktion aufgenommen haben.
Dies führt zu einem verhältnismäßig trägen Ansprechverhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lastunabhängige
Steuereinrichtung für hydraulische Verbraucher
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei
der mit geringem schaltungstechnischen Aufwand zur Verbesserung
des Ansprechverhaltens sichergestellt ist, daß die Umstellung
eines diese Steuereinrichtung verwendenden Hydrauliksystems
vom Standby-Betrieb auf den Loadsensing-Betrieb
abgeschlossen ist, bevor die Volumenstromregelfunktion für
den hydraulischen Verbraucher aufgenommen wird, wobei die Betätigung
der Steuereinrichtungen vereinfacht sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Infolge der hydraulischen
Betätigung sowohl des Wegeventils als auch der als Servoventil
ausgebildeten Steuereinheit ist es einerseits möglich,
beide Elemente der Steuereinrichtung mit geringem Aufwand zu
betätigen, und es kann andererseits sichergestellt werden,
daß seitens der Pumpe, die im Standby-Betrieb auf einem sehr
niedrigen Niveau arbeitet, bereits ein ausreichender Druck
zur Verfügung gestellt wird, wenn die Volumenstromregelung
zum Verbraucher mittels des Servoventils anläuft.
Während somit im Falle der bekannten Steuereinrichtung gemäß
DE 25 14 624 A1 die Betätigung des Wegeventils durch den Lastdruck
erfolgt, so daß es hinsichtlich der Betätigung der
Steuereinheit keine Bedeutung hat, sperrt das Wegeventil beim
Erfindungsgegenstand den Durchgang zum Tank, bevor die als
Servoventil ausgebildete Steuereinheit der Volumenstromregelfunktion
für den Verbraucher beginnt.
Eine hydraulische Betätigung der Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch
2 ist angesichts der Verwendung der Steuereinrichtung
für Hydrauliksysteme mit besonders geringem Aufwand
zu verwirklichen.
Durch die mechanische Koppelung zwischen Servo- und Wegeventil
in Verbindung mit der Ausgestaltung der Stellglieder der
beiden Stellkolben gemäß Patentanspruch 3, die eine separate
Betätigung der beiden Ventile und eine unabhängige Steuerdruckbeaufschlagung
des Servoventils oberhalb 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 hermetisch abgeschlossen
werden muß, beispielsweise einen hydraulischen
Kraftheber.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ist, 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 zeigt
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 XLS 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
XLS ist an den Differenzdruckregler 20 angeschlossen, der
die Pumpe 10 entsprechend dem in der Steuerleitung XLS
herrschenden Steuerdruck regelt.
Ein Sollwertgeber 50, in den ein Sollwert W eingegeben
wird, beaufschlagt Steuerdruckleitungen 51, 52 mit Steuer
drücken X1 und X2, 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 58 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 XLS 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 X1 und X2. Der
Steuerdruckunterschied X1-X2 wird entsprechend dem Soll
wert W eingestellt.
Sobald der größere der beiden Steuerdrücke X1 bzw. X2 ein
Schaltdruckniveau erreicht, das bis zur Hälfte des Steuer
bereichs von X1 und X2 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 XLS
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 X1 bzw. X2 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 X1-X2.
Sobald mittels des Sollwertgebers 50 der Steuerdruckunter
schied X1-X2 beseitigt wird und beide Steuerdrücke X1, X2
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 XLS 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 X1 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 X1 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 X1 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
X1 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 X1 auf das Neutralniveau mit einer großen
Geschwindigkeit. Nachdem der Steuerdruck X1 das Neutral
niveau erreicht hat, kann das 4/3-Servoventil 30 durch
eine Absenkung des Steuerdrucks X1 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 X1 verwendet
werden.
Durch einen Anstieg des Steuerdrucks X1 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 X1 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 X1 verwendet werden.
Die Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von
der gemäß Fig. 1 dadurch, daß nur ein Steuerdruck X1 zu
ihrer Betätigung benötigt wird. Dadurch werden im Ver
gleich zur Steuereinrichtung gemäß Fig. 1 die zur Er
zeugung des zweiten Steuerdrucks X2 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 X1
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 X1 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 X1 oder X2 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 X1 und X2
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 X1, X2 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.
Claims (4)
1. Lastunabhängige Steuereinrichtung für hydraulische Verbraucher,
in deren Ausgangsstellung eine einen Lastdruck führende
Steuerleitung mit einem Tank verbunden ist und die eine
Steuereinheit für den Verbraucher und ein Wegeventil aufweist,
das unabhängig von der Steuereinheit steuerbar ist und
eine Sperrstellung sowie eine Durchgangsstellung aufweist, in
der es die den Lastdruck führende Steuerleitung an den Tank
anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit als
Servoventil (30) ausgebildet ist, daß das Servoventil (30)
und das Wegeventil (40) hydraulisch von derselben Steuerdruckquelle
(50) schaltbar sind und daß das Wegeventil (40)
derart gesteuert ist, daß es aus der Durchgangsstellung (I)
in die Sperrstellung (K) geschaltet ist, bevor das Servoventil
(30) aufgesteuert ist.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Wegeventil (40) mit einem kleineren Steuerdruck
(X1, X2) aus der Durchgangsstellung (I) in die Sperrstellung
(K) schaltbar ist als das Servoventil (30) aus einer Ausgangsschaltstellung
(D) in eine Arbeitsstellung (E, F).
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerkolben des Servoventils (30) und
der Steuerkolben des Wegeventils (40) in einer gemeinsamen
Verschiebeachse (C) angeordnet sind und an ihren einander zugekehrten
Steuerkolbenenden mittels eines mechanischen Koppelglieds
(65) kraftschlüssig verbindbar sind, daß die einander
abgekehrten Steuerkolbenenden der beiden Steuerkolben jeweils
von einer Feder (60, 64) beaufschlagt sind, die das
Servoventil (30) in dessen Ausgangsschaltstellung (D) zurück
schieben, wenn der Steuerdruck (X1) einen vorgegebenen Grenzwert
unterschreitet, daß ausschließlich die einander zugekehrten
Steuerkolbenenden steuerdruckbeaufschlagbare Stellglieder
(53, 52) aufweisen, daß die Stellglieder (53, 62)
durch denselben Steuerdruck (X1) beaufschlagt sind und daß
die am Stellglied (63) des Wegeventils (40) vorgesehene
Steuerfläche größer als die am Stellglied (53) des Servoventils
(30) vorgesehene Steuerfläche ist.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wegeventil (40) mit einem Betätigungselement
(66) für ein entsperrbares Rückschlagventil
(70) kombiniert ist.
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