DE3807525A1 - Hydraulische steuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuerung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Diese Steuerung ist bekannt durch das Buch Backe, Servohy­ draulik, 3. Auflage 1979; S. 25. Die Ansteuerung der Ventile, die die dort dargestellten hydraulischen Widerstandsschal­ tungen beinhalten, erfolgt in der Hydraulik üblicherweise durch zwei Elektromagnete, die den Steuerschieber in die eine und in die andere Richtung verschieben.

Derartige Elektromagnete sind teuer und störanfällig. Ferner ergibt sich das Problem, daß der Antrieb - z.B. eine Zylinder-Kolben-Einheit - bei Ausfall eines Magneten keine

plötzlichen, unkontrollierten Bewegungen ausführen darf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hydraulische Steuerung für einen zweiseitigen Positionierantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum einen technisch wenig aufwen­ dig und zum anderen zuverlässig auszugestalten, dabei jedoch Maßnahmen vorzusehen, die verhindern, daß der Positionier­ antrieb bei Ausfall des Magneten unkontrollierte und plötz­ liche Bewegungen ausführt.

Die Lösung der Aufgabe geschieht dadurch, daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Steuerung für einen zweiseitigen Antrieb der Steuerschieber des Steuerventils nur an einer Seite durch einen Elektromagneten angesteuert und auf der anderen Seite durch Federn beaufschlagt wird. In dieser Ausgestaltung hätte ein Steuerschieber, der eine Halb-Brücke beinhaltet, zwar den Vorteil der erhöhten Zuverlässigkeit. Jedoch hätte ein derartiger Steuerschieber den Nachteil, daß bei Ausfall des Magneten der Steuerschieber infolge der auf der anderen Seite wirkenden Federkraft einseitig verschoben und daher eine extreme, unsymmetrische Verstimmung der Halb- Brücke eintreten würde. Daher wird der Steuerschieber nach der Erfindung weiterhin so ausgestaltet, daß der Antrieb bei Ausfall des Magneten neutral geschaltet wird, so daß der Antrieb schwimmt, d.h. in beiden Richtungen frei bewegbar ist, oder daß nach der anderen Version der Erfindung der Antrieb hydraulisch blockiert wird, wobei beide Zuleitungen des Antriebs versperrt sind.

Dies geschieht bei der Lösung nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 dadurch, daß an dem magnetseitigen Ende des Steuerschiebers ein weiterer Ventilbund sitzt, der bei Ausfall der Magnetkraft und der dadurch bedingten Verschie­ bung des Steuerschiebers einen weiteren Tankabfluß des Steuerventils aufsteuert. Es wird dadurch erreicht, daß die beiden Tankkanäle des Verbrauchers im Falle eines Ausfalls des Elektromagneten und der dadurch bedingten Verschiebung des Steuerschiebers drucklos geschaltet werden. Daher kann sich die Brückenverstimmung bei einem solchen Ausfall nicht in einer Bewegung des Verbrauchers auswirken.

Bei der Lösung nach dem Kennzeichen von Anspruch 3 ist das Steuerventil so ausgeführt, daß in der magnetseitigen Stel­ lung des Steuerschiebers beide Steuerleitungen zwischen Posi­ tionierantrieb und Steuerventil versperrt sind. Hierbei bleiben beide Antriebseiten über die von der gemeinsamen Pumpleitung abzweigenden Druckleitungen - stark gedrosselt zwar - miteinander verbunden.

Um die Druckkräfte an dem Steuerschieber zu kompensieren, weist der Steuerschieber beidseits des Steuerbundes je einen Ventilbund auf. Der dem Elektromagneten benachbarte Ventil­ bund bewirkt in der ersten Version das Aufsteuern des Tank­ anschlusses der einen Verbraucherseite zu einem zusätzlichen Tankabflußkanal. Der andere federseitige Ventilbund kann ebenfalls dem Aufsteuern eines weiteren Tankabflußkanals dienen. Dies kann zur Erzielung eines Druckgleichgewichts am Steuerschieber zweckmäßig sein. Alternativ wird jedoch bei Ausfall des Elektromagneten die Halb-Brücke derart verstimmt, daß auf der Federseite des Steuerbundes der Druck bis auf den Tankdruck abfällt.

In der anderen Version dient der dem Elektromagneten benach­ barte Ventilbund lediglich der Druckkompensation des an den Enden des Steuerschiebers anliegenden Tankdrucks sowie des zwischen den Ventilbünden liegenden Tank- oder Verbraucher­ drucks.

Bei Abschalten oder Ausfall des Elektromagneten wird also der Steuerschieber zur Magnetseite hin verschoben. Damit wird auch der Anker des Magneten in eine Stellung verschoben, in der die Magnetkräfte gering sind. Ein Wiederanschalten des Elektromagneten wäre daher nur bei Verwendung eines besonders starken Elektromagneten möglich. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch auch eine Verwendung von Elektro­ magneten möglich, deren Baugröße nach den im Betrieb auftre­ tenden Stellkräften ausgewählt werden können. Hierzu wird vorgesehen, daß der Steuerschieber durch zwei Federn belastet wird. Eine dieser Federn ist sehr weich ausgeführt und ihr Federweg erstreckt sich über den gesamten Stellweg des Steuerschiebers (Sicherheitsfeder). Diese weiche Feder dient dem Zweck, bei Ausfall des Elektromagneten den Steuerschieber in eine magnetseitige Endposition zu verschieben und dadurch den Anschluß beider Verbraucherseiten an den Tank zu bewir­ ken. Dadurch, daß diese Feder sehr weich ausgelegt ist, muß bei der Inbetriebnahme des Elektromagneten nur eine ent­ sprechend geringe Magnetkraft aufgewandt werden.

Die zweite Feder ist dagegen wesentlich härter und so ausge­ führt, daß die Strömungskräfte an dem Steuerschieber gegen­ über den Druck- und Federkräften so klein werden, daß gute Betriebseigenschaften der Halb-Brücke erzielbar sind. Der Hub dieser Feder erstreckt sich lediglich über den eigentlichen Steuerbereich des Steuerschiebers (Steuerfeder). Insbesondere ist die Steuerfeder außer Eingriff in der Endstellung, in die der Steuerschieber durch die Sicherheitsfeder bei Ausfall des Magneten geschoben wird. Es ist daher nicht erforderlich, daß der Elektromagnet gegen die Kraft der Steuerfeder in Betrieb gesetzt wird.

Die Tankverbindungen, die in der ersten Version der Erfindung bei Ausfall des Magneten durch den Steuerschieber für beide Verbraucherseiten hergestellt werden, haben einen wesentlich geringeren Drosselwiderstand als die Drosseln, über die die beiden Verbraucherseiten mit dem Druckkanal verbunden sind. Daher kann sich auf den beiden Verbraucherseiten kein Druck und insbesondere kein Differenzdruck mehr aufbauen.

Nach der ersten Version der Erfindung - soweit sie bisher beschrieben ist - wird der Positionierantrieb bei Ausfall des Magneten so geschaltet, daß auf den Positionierantrieb keine Antriebskräfte durch das Hydrauliksystem ausgeübt werden. Von außen kommende Kräfte können jedoch noch zu einer Verstellung des Positionierantriebes führen. Eine Verstellung des Posi­ tionierantriebes ist jedoch auch bei der zweiten Version der Erfindung möglich, da äußere Kräfte zu einer gedrosselten Strömung zwischen den Antriebseiten des Positionierantriebes und damit zu einer Verstellung des Positionierantriebes führen können. Hieraus ergibt sich die weitere Aufgabe, auch eine Blockierung des Positionierantriebes gegen äußere Kräfte vorzusehen. Hierzu wird vorgeschlagen, in den Zuleitungen zu beiden Verbraucherseiten, und zwar zwischen dem Verbraucher und dem Knotenpunkt von Druckleitung und Steuerleitung, je ein gesteuertes Rückschlagventil vorzusehen. Die Rückschlag­ ventile können vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Druck der jeweiligen Steuerleitung aufgesteuert werden. Hierdurch kann erreicht werden, daß bei der ersten Lösung die beiden Ver­ braucherseiten des Positionierantriebes versperrt werden, wenn der Druck in den Steuerleitungen infolge Ausfalls des Elektromagneten unter einen Grenzwert abfällt. Dieser Grenz­ wert ist durch die Federstärke der Rückschlagventile vorgege­ ben.

Die Steuerung der Rückschlagventile kann auch von anderen Parametern des Regelkreises abhängig gemacht werden. Hierzu können insbesondere elektromagnetisch oder elektromagnetisch-hydraulisch vorgesteuerte Rückschlagventile verwandt werden.

Bei einer zuverlässig wirkenden Ausführung, die insbesondere bei der zweiten Lösung einsetzbar ist, können ungesteuerte Rückschlagventile verwandt werden, wenn diese jeweils in der Druckleitung, die zu der jeweiligen Verbraucherseite führt und von der gemeinsamen Pumpleitung abzweigt, jeweils vor oder hinter der Drossel - jedenfalls aber vor dem Knotenpunkt der Druckleitung mit der zu der jeweiligen Verbraucherleitung führenden Steuerleitung - angeordnet werden. Der Durchlaß der Rückschlagventile ist zu der jeweiligen Verbraucherseite gerichtet.

Beim Einfahren des Steuerschiebers in die magnetseitige End­ stellung infolge Ausfall des Magneten durchfährt der Steuer­ schieber eine Steuerstellung mit extrem weiter Öffnung der einen Antriebseite zum Tank. Dadurch erfolgt eine Stoßbela­ stung des Hydrauliksystems, die sich auf den Antrieb aus­ wirkt. Es wird daher weiterhin in der Pumpleitung des Systems oder in der von dem Steuerventil abgeführten Steuerleitung ein elektromagnetisch aufgesteuertes, bei Ausfall des Magnet­ stroms schnell schließendes Ventil vorgesehen. Durch dieses Ventil wird vermieden, daß die bei Ausfall des Magneten des Steuerventils von dem Steuerschieber durchlaufenen Schalt­ stellungen ohne Auswirkungen auf das Hydrauliksystem und den Positionierantrieb bleiben.

Die erfindungsgemäße hydraulische Steuerung eignet sich insbesondere auch zum Aufbau eines Regelkreises. In diesem Regelkreis wird die Position des Positionierantriebes abge­ tastet und nach einem Sollwert-Vergleich auf den Magneten des Steuerventils zurückgeführt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be­ schrieben.

Es zeigen

Fig. 1A, 1B das Ausführungsbeispiel für die erste Lösung in zwei verschiedenen Schaltstellungen;

Fig. 2A bis 2D Maßnahmen zur Blockierung des Positionierantriebs;

Fig. 3 ein Federdiagramm des Federsystems;

Fig. 4A, 4B das Ausführungsbeispiel für die zweite Lösung in zwei Schaltstellungen;

Fig. 5 einen Positionierantrieb in einem Regelkreis.

Es sei bemerkt, daß die folgende Beschreibung für die Ausführung nach Fig. 1A, 1 B einerseits und die Ausführung nach Fig. 4A, 4 B gilt, es sei denn, daß besonders darauf hingewiesen wird.

Der Positionierantrieb 1 ist ein Zylinder 2, in dem ein Kolben 3 mit Kolbenstange zweiseitig bewegbar ist. Der Zylinder ist auf beiden Seiten des Kolbens über die Zulei­ tungen 4.1, 4.2, die Druckleitungen 5.1, 5.2, die Drosseln 6.1, 6.2 und die Pumpleitung 7 von der Hydraulikpumpe 8 mit Drucköl beaufschlagt. Die Zuleitungen 4.1 und 4.2 verzweigen sich in die Steuerleitungen 9.1 und 9.2., die zu dem Steuer­ ventil 10 führen, und die Druckleitungen 5.1, 5.2, die den Antrieb mit der gemeinsamen Pumpleitung 7 und Pumpe 8 über Drosseln 5.1, 5.2 dauernd verbinden. In dem Steuerzylinder 11 des Steuerventils 10 ist der Steuerschieber 12 beweglich. Der Steuerschieber 12 weist den Steuerbund 13 auf, der mit dem Tankabfluß 16 des Steuerzylinders 11 Steuerkanten bildet, wobei eine geringfügig negative Überdeckung bestehen kann. Beidseits des Steuerbundes und mit einigem Abstand dazu münden die Steuerleitungen 9.1 und 9.2 in den Steuerzylinder 11. Die Steuerleitungen 9.1 und 9.2 kommen - wie bereits gesagt - von den beiden Verbraucherseiten des Positionieran­ triebs 1. Der Steuerschieber 12 weist an den beiden Seiten des Steuerbundes 13 weitere Ventilbunde 14 und 15 auf. Diese Ventilbunde bilden gemeinsam mit dem zwischen ihnen liegenden Steuerbund Ventilkammern, in die die beiden Steuerleitungen 9.1 und 9.2 münden. Dadurch, daß der Steuerschieber mit dem Steuerbund 13 und den Ventilkammern nach links oder rechts verschoben wird, werden wechselweise entweder Steuerleitung 9.1 oder Steuerleitung 9.2 mehr oder weniger mit dem Tankab­ fluß 16 verbunden. Der Steuerbund 13 bildet mit dem Tankab­ fluß 16 eine Halb-Brücke mit zwei Drosselwiderständen. Die andere Halb-Brücke besteht aus den bereits beschriebenen Drosselwiderständen 6.1 und 6.2. Der Steuerzylinder 11 ist endseitig über die Leitungen 22 und 23, die in den Tank führen, druckentlastet. Der Steuerzylinder 11 weist weiterhin einen zusätzliche Tankabfluß 24 auf, der am äußersten rechten (Fig. 1A, 1B) Ende des Steuerschiebers so liegt, daß er von dem benachbarten Ventilbund 14 überfahren wird, wenn der Steuerschieber ganz nach rechts fährt.

Der Steuerschieber wird auf seiner linken Seite durch zwei Federn 20 und 21 beaufschlagt. Die Feder 20 stützt sich einerseits an der Stirnfläche des Steuerzylinders und ande­ rerseits an dem Federteller 25 des Steuerschiebers ab. Es handelt sich hierbei um eine relativ weiche Feder, die einen so großen Hub ausführen kann, daß sie den Steuerschieber bis in die äußerste rechte Endlage bringen kann. Die Feder 21 hat eine relativ steile Kennlinie. Dies hat hydraulische Gründe. Die an dem Steuerschieber wirkenden Druck- und Federkräfte sollen so groß sein, daß die an dem Steuerschieber wirkenden Strömungskräfte sich nicht mehr störend bemerkbar machen. Die Feder 21 stützt sich an der Stützscheibe 26, die am Steuer­ zylinder 11 befestigt ist, einerseits und andererseits über eine Zwischenscheibe 27 an dem Ventilbund 15 ab. Ihr Federweg ist jedoch so kurz, daß er nur den Arbeitsbereich überdeckt, nicht aber in die in Fig. 1B, 4B dargestellte Endlage des Steuerschiebers reicht. Das ist daran zu erkennen, daß die Zwischenscheibe hier von dem Ventilbund 15 abgehoben hat. Daher wird in der rechten Endlage der Steuerschieber 12 nur von der weichen Feder 20 beaufschlagt. Dadurch, daß diese Feder sehr weich ausgelegt ist, muß bei der Inbetriebnahme des Elektromagneten nur eine entsprechend geringe Magnetkraft aufgewandt werden.

Das Federdiagramm nach Fig. 3 zeigt die Arbeitsweise der beiden Federn. Die Federkennlinie der harten Feder 20 ist mit 20 bezeichnet. Es ergibt sich daraus, daß der Federweg 20 nur den Arbeitshub beidseits der in Fig. 1A, 4A dargestellten Null-Stellung des Steuerschiebers umfaßt. Der Arbeitshub kann ca. von minus bis plus 1 mm beidseits der Null-Stellung reichen. Die Federkennlinie der weichen Feder 21 ist mit 21 bezeichnet (punktierte Linie). Im Arbeitsbereich summieren sich die Federkräfte. Daraus ergibt sich die Summen-Feder­ kennlinie 20+21. Diese Summen-Federkennlinie läuft am Ende des Arbeitsbereiches in die weiche Federkennlinie 21 aus. Der Federweg der weichen Feder 21 endet in der in Fig. 1B darge­ stellten Anschlag-Stellung, die in Fig. 3 als fail-safe-Stel­ lung bezeichnet ist.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die andere Seite des Steuerschiebers 12 durch einen Elektromagneten 18 beauf­ schlagt wird.

Zur Funktion:

Wenn der Elektromagnet nicht aktiviert ist, wird der Steuer­ schieber 12 in die in Fig. 1B dargestellte rechte Endposition geschoben.

Um zu vermeiden, daß der Positionierantrieb bei Ausfall des Magneten eine Bewegung ausführt, ist diese Endposition des Steuerschiebers als "fail-safe"-Stellung ausgeführt. In der Ausführung nach den Fig. 1A, B sowie 2C ist diese "fail­ safe"-Stellung dadurch ausgezeichnet, daß der Ventilbund 14 den Tankabfluß 24 des Steuerzylinders 11 überfahren hat. Dadurch verbindet die Ventilkammer zwischen dem Steuerbund 13 und dem Ventilbund 14 die Steuerleitung 9.1 mit dem Tankab­ fluß 24. Andererseits verbindet die zwischen dem Steuerbund 13 und dem Ventilbund 15 gebildete Ventilkammer die andere Verbraucherseite über die Steuerleitung 9.2 mit dem Tankab­ fluß 16. Die innerhalb des Ventils in dieser Stellung beste­ henden Drosselwiderstände sind verhältnismäßig klein im Vergleich zu den Drosselwiderständen 6.1 und 6.2. Daher ist der Kolben 3 des Verbrauchers beidseitig druckentlastet. Daher wird der Verbraucher nicht hydraulisch betätigt. Er kann jedoch durch von außen wirkende Kräfte betätigt werden. Dies kann durch eine hydraulische und/oder eine mechanische Blockierung des Positionierantriebes unterbunden werden. Geeignete Maßnahmen werden später anhand der Fig. 2A bis 2D beschrieben.

Bei der Ausführung nach den Fig. 4A, B sowie 2D ist diese "fail-safe"-Stellung dadurch ausgezeichnet, daß die Steuer­ leitung 9.2 durch den Ventilbund 15 überdeckt und abgesperrt ist, während die Steuerleitung 9.1 gegenüber dem Tankkanal durch Steuerbund 13 abgeschlossen ist. Die Seiten des Kolbens 3 des Positionierantriebes stehen also zwar unter dem Druck der Pumpe 8. Die Zylinderseiten sind jedoch über die Druck­ leitungen 5.1, 5.2 und Drosseln 6.1, 6.2 miteinander verbun­ den. Außere Kräfte führen daher zu einer Verstellung des Positionierantriebes. Es kann daher auch in diesem Falle nützlich sein, den Verbraucher durch hydraulische und/oder mechanische Maßnahmen, die später noch beschrieben werden, zu blockieren.

Wenn nunmehr der Magnet 18 aktiviert wird, so sind während des Leerhubes nur geringe Magnetkräfte aufzubringen, da die Feder 20 so weich ist, daß ihre Federkraft von der Magnet­ kraft überwunden wird. Angenommen: der Magnet 18 wird zunächst so aktiviert, daß der Steuerschieber mit dem Steuer­ bund 13 die in Fig. 1A, 4A dargestellte Null-Stellung ein­ nimmt. In dieser Null-Stellung überdeckt der Steuerbund 13 mit angenähert Null-Überdeckung den Tankabfluß 16. Daher sind die beiden Verbraucherseiten des Positionierantriebs 1 über ihre Leitungen 9.1 und 9.2 gegenüber dem Tank 17 nahezu ver­ sperrt. Auch versperrt der Steuerbund 14 die Verbindung zwischen der Steuerleitung 9.1 und dem Tankabfluß 24. Andererseits stehen die beiden Verbraucherseiten über die Druckleitungen 5.1, 5.2 und Drosseln 6.1, 6.2 mit der Pumpe 8 in Verbindung, so daß auf beiden Verbraucherseiten der Pumpendruck ansteht. Der Positionierantrieb verharrt in der Stellung, in der er sich zufällig befindet.

Angenommen: der Magnet 18 wird noch stärker beaufschlagt, so daß der Steuerbund 13 sich nach (in Fig. 1A, 4A) links ver­ schiebt. Die zwischen dem Steuerbund 13 und dem Ventilbund 14 befindliche Ventilkammer öffnet den Durchgang zwischen der Steuerleitung 9.1 des Verbrauchers und dem Tankabfluß 16. Daher fällt der Druck in der Steuerleitung 9.1 ab. Da die Drossel 6.1 einen relativ großen Widerstand hat, fällt damit auch der Druck auf der rechten Verbraucherseite ab. Daher wird der Positionierantrieb (in Fig. 1A, 4A) nach rechts verschoben, bis der Steuerschieber wieder in die Null- Stellung gestellt wird.

Bevorzugt ist nun vorgesehen, daß das Hydrauliksystem in einen Regelkreis eingeschlossen ist. Ein solcher Regelkreis ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Position des Kolbens 3 des Positionierantriebes 1 wird durch Wegaufnehmer 34 gemessen (z.B. durch ein Potentiometer) und in ein elek­ trisches Signal umgewandelt. Dieses Istwert-Signal wird dem Regler 35 zugeführt und darin mit dem Sollwert eines Soll­ wertgebers 36 verglichen. Das Ausgangssignal wird über einen Stromregler und Verstärker 37 dem Magneten 18 des Stellven­ tils 10 zugeführt. Wenn in einem derartigen Regelkreis der Positionierantrieb seine Sollposition erreicht hat, so geht die Regelabweichung auf Null. Der Stromregler ist nun so eingestellt, daß in dieser Situation der Magnet 18 des Stell­ ventils 10 mit einem so hohen Strom beaufschlagt wird, daß der Steuerschieber in die mittlere, d.h. die Null-Stellung geht, in der keine der Verbraucherseiten eine Verbindung zum Tank hat.

Zurück zu Fig. 1A, 1B bzw. 4A, 4B:

Wenn die Magnetkraft 18 abgesenkt wird, verschiebt die Betriebsfeder 21 den Steuerschieber 12 nach rechts, wobei diese Betrachtung lediglich für den Arbeitsbereich gilt. Nunmehr wird die linke Verbraucherseite über Steuerleitung 9.2 durch die Ventilkammer zwischen dem Steuerbund 13 und dem Ventilbund 15 mit dem Tankabfluß 16 verbunden. Folglich fällt der Druck in der Steuerleitung 9.2. Da der Drosselwiderstand 6.2 sehr groß ist, fällt damit auch der Druck auf der linken Verbraucherseite. Damit fährt der Positionierantrieb 1 nach (in Fig. 1A bzw. 4A) links.

Es kommt nun auch vor, daß insbesondere durch Ausfall des elektrischen Stroms der Elektromagnet versagt und keine Magnetkraft mehr ausübt. In diesem Falle fällt der Steuer­ schieber 12 in die in Fig. 1B bzw. Fig. 4B dargestellte, rechte Anschlagposition ("fail-safe"-Stellung).

Wie bereits oben beschrieben, unterscheiden sich die Ausfüh­ rungsbeispiele nach den Fig. 1A, B, 2C einerseits und 4A, B, 2D andererseits durch die Ausgestaltung der "fail-safe"- Stellung. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1A, B, 2C ist die "fail-safe"-Stellung so ausgestaltet, daß der Druck auf beiden Verbraucherseiten auf Null, d.h. Tankdruck, abfällt. Daher endet mit dem Ausfall des Elektromagneten die hydraulische Beeinflussung des Positionierantriebes. Wenn man von äußeren Kräften absieht, so bleibt der Positionierantrieb bei Ausfall des elektrischen Stroms bzw. sonstigem Ausfall des Elektromagneten 18 in der Position stehen, die der Posi­ tionierantrieb gerade hat. Dies kommt in Fig. 1B darin zum Ausdruck, daß der Kolben 3 des Positionierantriebes an einer willkürlich gewählten Stelle sich befindet.

Da die beiden Verbraucherseiten frei mit dem Tank verbunden sind, kann aber der Positionierantrieb durch äußere Kräfte noch verschoben werden.

Dies wird durch einige der nachfolgend beschriebenen Maßnah­ men zur hydraulischen und/oder mechanischen Blockierung des Positionierantriebes verhindert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4A, B, 2D werden beide Verbraucherseiten in der "fail-safe"-Stellung auf den vollen Pumpendruck geschaltet. Der Kolben 3 bleibt aber auch in der "fail-safe"-Stellung des Steuerventils 10 beweglich, da beide Zylinderseiten miteinander durch die Druckleitungen 5.1, 5.2 und Drosseln 6.1, 6.2 verbunden sind. Daher gilt auch für diese Ausführung, daß äußere Kräfte zur Verstellung des Positionierantriebes führen können.

Daher sind auch bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4A, B, 2D einige der nachfolgend zu beschreibenden Maßnahmen zur hydraulischen und/oder mechanischen Blockierung des Positio­ nierantriebes sinnvoll.

Es sei bemerkt, daß die geschilderten Blockierungsmaßnahmen, sofern nichts anderes gesagt wird, auf beide Ausführungsbei­ spiele ungeachtet der Ausgestaltung der "fail-safe"-Stellung anwendbar sind.

In Fig. 2A ist eine Möglichkeit dargestellt, bei Ausfall des Magneten eine hydraulische Blockierung zu bewirken. Die Fig. 2A betrifft Details, die in Fig. 1A mit gestrichelten Kreisen II.1 und II.2 bezeichnet sind.

Hervorzuheben ist, daß die hydraulische Blockierung nach Fig. 2A nur bei der Ausführung nach Fig. 1A, B, 2C anwendbar ist, bei der die Steuerleitungen des Positionierantriebes in der"fail-safe"-Stellung mit dem Tank verbunden sind.

In jede Zuleitung 4.1 und 4.2 des Positionierantriebes 1 sind Rückschlagventile 28.1 und 28.2 eingeschaltet. Jedes der Rückschlagventile besteht aus folgenden Elementen: Kugel 29.1 bzw. 29.2, Feder 30.1, 30.2, Sitz 31.1, 31.2, Stößel 32.1, 32.2, Kolben 33.1, 33.2.

Die Kugeln sperren die Druckleitungen und die Steuerleitungen in Abflußrichtung aus dem Zylinder 2 des Verbrauchers. Die Kolben 33 werden mit dem Verbraucherdruck beaufschlagt; das ist der Druck, der in Zuflußrichtung hinter den Drosseln 6.1 bzw. 6.2 und andererseits auch in den Steuerleitungen 9.1 und 9.2 herrscht.

Im übrigen entspricht die Schaltung der zuvor zu Fig. 1A, 1B beschriebenen sowohl nach ihrem Aufbau als auch nach ihrer Funktion. Solange der Elektromagnet in Betrieb und der Arbeitsbereich des Steuerbundes von z.B. ±1 mm beidseits der in Fig. 1A dargestellten Null-Stellung nicht verlassen wird, bildet der Steuerbund 13 mit dem Tankabfluß 16 beidseits je eine Drosselstelle. Daher bleibt im Arbeitsbereich stets ein gewisser Mindestdruck in den Steuerleitungen 9.1 bzw. 9.2 und damit auf der entsprechenden Verbraucherseite des Positio­ nierantriebes erhalten. Dieser Mindestdruck reicht aus, mittels des Kolbens 33 und des Stößels 32 die auf Kugel 29 einwirkende Federkraft und Druckkraft 30 zu überwinden und die Kugel von ihrem Sitz abzuheben. Der Mindestdruck wird insbesondere durch das Flächenverhältnis von Stößel 32 und Kolben 33 bestimmt. Daher sind die Rückschlagventile im Arbeitsbereich des Steuerschiebers 12 über Sitz 31 sowie Leitungen 5.1 und 5.2 zu den Steuerleitungen 9.1 und 9.2 hin stets geöffnet, und zwar nicht nur auf der Verbraucherseite höheren Drucks, die durch Steuerbund 13 gegen den Tank hin den stärkeren Drosselwiderstand hat, sondern auch auf der über einen größeren Drosselspalt am Steuerbund 13 zum Tank hin geöffneten Verbraucherseite. Im Betrieb der Steuerung sind daher die Rückschlagventile außer Funktion.

Wenn jedoch die Magnetkraft 18 so weit abfällt, daß der Steuerschieber 12 seinen Arbeitsbereich verläßt und in die in Fig. 1B dargestellte Anschlagstellung ("fail-safe"-Stellung) gelangt, fällt der Druck in den Leitungen 9.1 und 9.2 gänz­ lich ab. Damit drücken die Federn 30.1 und 30.2 die Kugeln auf die Sitze 31.1 bzw. 31.2. Damit sind beide Verbraucher­ seiten gegenüber den Steuerleitungen 9.1 bzw. 9.2 verschlos­ sen. Es kann also kein Öl aus dem Positionierzylinder 2 entweichen. Daher wird der Positionierantrieb in der Stellung hydraulisch blockiert, in der er sich gerade befindet.

Die Fig. 2B zeigt Mittel zur hydraulischen und zur mechani­ schen Blockierung des Positionierantriebes 1. In der Darstel­ lung nach Fig. 2B ist der Positionierantrieb 1 mit dem Zylin­ der 2 und dem Kolben 3, das hydraulische Leitungssystem sowie von dem Steuerventil 10 der Mantel 11 des Zylinders darge­ stellt. Das Steuerventil ist so ausgeführt, wie es in Fig. 1A, 1B oder in Fig. 4A, 4B gezeigt ist. Zur hydraulischen Blockierung sind Rückschlagventile 28.1 und 28.2 jeweils in der Zuleitung zu dem Positionierantrieb vorhanden. Die Rück­ schlagventile sperren die Druckleitungen und die Steuerlei­ tungen in der Abflußrichtung von dem Zylinder des Positio­ nierantriebes. Die Rückschlagventile sind elektromagnetisch aufsteuerbar. Die Abschaltung der Magnete erfolgt synchron mit der Abschaltung des Elektromagneten 18, durch den das Steuerventil 19 angesteuert wird. Bei Stromausfall schließen daher die Rückschlagventile. Da es sich um Sitzventile handelt, schließen die Rückschlagventile leckagenfrei.

In Fig. 2B ist ferner eine Einrichtung zur mechanischen Blockierung gezeigt. An den Zylinder 2 des Positionieran­ triebes ist konzentrisch zur Kolbenstange ein kreiszylin­ drisches Gehäuse 38 angeflanscht. Das Gehäuse 38 ist durch einen Deckel verschlossen. Es besitzt einen zylindrischen Hohlraum, in dem eine Bremsscheibe 41 parallel zur Kolben­ stange beweglich ist. In dem Hohlraum ist weiterhin ein Zylindergehäuse 39 untergebracht und mit dem Gehäuse 38 oder dem Zylinder 2 des Positionierantriebes verspannt. In dem Zylindergehäuse 39 befinden sich mehrere, z.B. drei Zylinder 45. In die Zylinder 45 tauchen die plunger-Kolben 40 ein. Die plunger-Kolben 40 sind in Bewegungsrichtung der Bremsscheibe 41 beweglich und stützen sich auf der Bremsscheibe ab. Die Bremsscheibe 41 wird auf der anderen Seite von z.B. drei Federn 43 belastet, die sich am Deckel des Gehäuses 38 abstützen. An der dem Kolben 40 zugewandten Seite der Brems­ scheibe ist ein zur Kolbenstange konzentrischer Kranz von Bremsklauen 42 befestigt. Jede Bremsklaue ist an der Brems­ scheibe 41 auskragend befestigt und nach Art eines Federsta­ bes radial federnd beweglich. Der Kranz der Bremsklauen liegt in einer konischen Ausnehmung des Zylindergehäuses 39, wobei sich die konische Ausnehmung zur Bremsscheibe 41 hin öffnet. Die Zylinder 45 werden durch die Pumpleitung 7 mit Druck beaufschlagt. Die Zuleitung 47, die die Zylinderräume 45 mit der Pumpleitung 7 verbindet, wird durch ein elektromagnetisch geschaltetes Ventil 46 aufgesteuert und bei Stromausfall zur Pumpleitung hin abgesperrt und mit dem Tank verbunden, so daß bei Stromausfall der Druck in den Zylinderräumen 45 abfällt.

Zur Funktion

Wenn die Zylinderräume 45 druckbeaufschlagt werden, so bewegt sich die Bremsscheibe 41 gegen die Kraft der Federn 43 nach links. Dadurch gelangt der Kranz der Bremsklauen außer Eingriff mit der konischen Ausnehmung in dem Zylindergehäuse 39. Dadurch richten sich die Bremsklauen parallel zur Kolben­ stange auf und sind außer Eingriff. Bei Stromausfall unter­ bricht das Ventil 46 die Verbindung zur Pumpe und steuert eine Verbindung zum Tank auf. Der Druck in den Zylindern 45 fällt daher sehr schnell ab. Die Federn 43 rücken die Brems­ scheibe nach rechts. Der Kranz der Bremsklauen fährt in den engen Bereich der konischen Ausnehmung im Zylindergehäuse 39. Daher werden die Bremsklauen radial nach innen in Ein­ griff mit der Kolbenstange gedrückt, so daß die Kolbenstange blockiert.

Die Fig. 2C zeigt wiederum den Positionierantrieb, wobei das dargestellte Steuerventil 10 eine "fail-safe"-Stellung hat, in der die Steuerleitungen mit dem Tank verbunden sind (Fig. 1A, 1B). Die dargestellten Mittel zur hydraulischen Blockie­ rung sind jedoch auch bei der Ausführung nach Fig. 4A, 4B anwendbar, bei der die Steuerleitungen in der "fail-safe"- Stellung geschlossen sind. Zur hydraulischen Blockierung sind Rückschlagventile 28.1 und 28.2 in der Zuleitung 4.1 und 4.2 des Positionierantriebes enthalten, die in Richtung zum Posi­ tionierantrieb öffnen und in der Gegenrichtung sowohl die Verbindung zum Tank als auch die Verbindung zur Pumpe schließen. Die Rückschlagventile sind hydraulisch aufsteuer­ bar. Ihre Konstruktion entspricht der Konstruktion der Rück­ schlagventile nach Fig. 2A. Allerdings wird dabei der in Fig. 2 dargestellte Kolben 33.1 bzw. 33.2 mit dem Pumpendruck beaufschlagt. Hierzu dient ein elektromagnetisch betätigtes Ventil 48, das bei Betätigung des Elektromagneten die Verbin­ dung mit der Pumpleitung 7 herstellt und bei Abschalten des Magneten die Verbindung zum Tank herstellt. Der Magnet des Ventils 48 wird mit dem Steuermagneten 18 des Steuerventils 10 abgeschaltet. Im übrigen kann die Ansteuerung des Magneten des Ventils 48 auch in Abhängigkeit von anderen Parametern des Positionierantriebes erfolgen.

Fig. 2D zeigt Maßnahmen zur hydraulischen Blockierung mit ungesteuerten Rückschlagventilen. Je ein Rückschlagventil 28.1 bzw. 28.2 ist in der Druckleitung 5.1 bzw. 5.2 vor dem Knotenpunkt mit der jeweiligen Zuleitung 4.1, 4.2 und Steuer­ leitung 9.1, 9.2 angeordnet, und zwar so, daß der Zulauf zur jeweiligen Antriebseite des Positionierantriebes offen ist. Dadurch, daß die Rückschlagventile 28.1 und 28.2 hinter der Verzweigung der Pumpleitung 7 in den beiden zu den Antrieb­ seiten führenden Druckleitungen 5.1 und 5.2 angeordnet sind, wird verhindert, daß bei der abgeschlossenen "fail-safe"- Stellung ein Ölstrom von der einen Verbraucherseite zur anderen Verbraucherseite des Positionierantriebs 1 fließen kann.

Fig. 2D zeigt weiterhin ein Schnellschaltventil 49 in der Steuerleitung und/oder alternativ in der Pumpleitung 7. Dieses Schnellschaltventil ist auch für die Ausführung des Steuerventils 10 anwendbar, bei der entsprechend Fig. 1A, 1B die "fail-safe"-Stellung die Steuerleitung mit dem Tank ver­ bindet. Zur Funktion des Schnellschaltventils ist folgendes zu berücksichtigen:

Der Arbeitsbereich des Steuerventils 10 liegt naturgemäß im Bereich seiner mittleren Schaltstellung, in der der Ventil­ bund 13 die Verbindung zum Tank abschließt bzw. nach beiden Seiten geringfügig (praktisch z.B. um 1 bis 2 mm) öffnet. Bei Ausfall des Steuermagneten 18 muß daher der Steuerschieber auch die Stellung durchfahren, in der die eine Seite des Positionierantriebes die am geringsten gedrosselte Verbindung zum Tank hat. Daher führt der plötzliche Einfall in die "fail-safe"-Stellung zu einem Stoß im hydraulischen System und möglicherweise auch zu einer unbeabsichtigten und unkon­ trollierten Bewegung des Positionierantriebes. Um diesen hydraulischen Stoß und eventuelle unkontrollierte Bewegungen zu verhindern, ist das Schnellschaltventil 49 in der Tankab­ leitung vorgesehen. Das Schnellschaltventil 49 öffnet elek­ tromagnetisch die Verbindung zum Tank. Bei Ausfall des Magnetstroms führt es sehr schnell zum Verschluß der Tankver­ bindung, wobei die Schaltgeschwindigkeit wesentlich größer als die Schaltgeschwindigkeit des Steuerschiebers 12 ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein ähnliches Ventil in der Pumpzuleitung 7 angeordnet sein. Bei diesem Ventil (49) wird die Pumpleitung 7 elektromagnetisch geöffnet und bei Ausfall des Magneten sehr schnell verschlossen.

• Bezugszeichenaufstellung: 1 Positionierantrieb
  2 Zylinder
  3 Kolben
  4.1 Zuleitung
  4.2 Zuleitung
  5.1 Druckleitung
  5.2 Druckleitung
  6.1 Brückendrossel
  6.2 Brückendrossel
  7 Pumpleitung
  8 Pumpe
  9.1 Steuerleitung, Steuerkanal, Tankleitung
  9.2 Steuerleitung, Steuerkanal, Tankleitung
  10 Steuerventil, Halbbrücke
  11 Steuerzylinder
  12 Steuerschieber
  13 Steuerbund
  14 Ventilbund
  15 Ventilbund
  16 Tankabfluß
  17 Tank
  18 Elektromagnet
  19 Stößel
  20 Feder, weiche Feder, Sicherheitsfeder
  21 Feder, harte Feder, Betriebsfeder
  22 Entlastungskanal
  23 Entlastungskanal
  24 Tankabfluß
  25 Federteller
  26 Sützscheiben
  27 Zwischenscheibe
  28 Rückschlagventil
  29 Kugel
  30 Feder
  31 Sitz
  32 Stößel
  33 Kolben
  34 Wegaufnehmer
  35 Regler
  36 Sollwertgeber
  37 Stromregler
  38 Gehäuse
  39 Zylindergehäuse
  40 Kolben
  41 Bremsscheibe
  42 Bremsklauen
  43 Feder
  45 Zylinder
  46 Ventil
  47 Zuleitung
  48 Ventil

Claims (13)

1. Hydraulische Steuerung für einen in zwei Richtungen wirkenden Positionier­ antrieb, bei der jede Antriebsseite des Positionierantriebes mit der Pumpe durch einen vom Pumpkanal abzweigenden Druck­ kanal und eine in dem Druckkanal liegende Drossel sowie mit dem Tank über eine Steuerkante eines Steuer­ ventils verbunden ist, wobei die Steuerkanten der beiden Antriebsseiten durch den Steuerschieber des Steuerventils elektro-magnetisch gegensinnig betätigbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerschieber (12) des Steuerventils (10) nur einseitig durch einen Elektromagneten (18) angesteuert und auf der anderen Seite durch Federkraft (Federn 20, 21) beaufschlagt wird, und
daß der Steuerschieber (12) zwischen den Steuerkanten (Steuerbund 13) und seinem magnetseitigen Ende einen Ventilbund (14) aufweist, der bei Ausfall der Magnetkraft einen weiteren Tankabfluß (24) des Steuerventils auf­ steuert.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerkanten an einem Steuerbund (13) gebildet werden,
daß der Steuerschieber (12) beidseits des Steuerbundes (13) weitere Ventilbunde (14, 15) aufweist, die mit dem Steuerbund (13) verschiebbare Ventilkammern bilden,
daß in jede der Ventilkammern der Steuerkanal (9.1 bzw. 9.2) jeweils einer Antriebsseite des Positionierantriebes (1) mündet,
daß beide Enden des Steuerventils über einen Tankabfluß mit dem Tank verbunden sind,
und daß der magnetseitige Tankabfluß (24) derart angeord­ net ist, daß der Tankabfluß bei Ausfall der Magnetkraft von dem dort liegenden weiteren Ventilbund (14) überfah­ ren und der eine Steuerkanal (9.1) des Positionier­ antriebs (1) mit dem Tankabfluß (24) verbunden wird.

3. Hydraulische Steuerung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Steuerschieber (12) des Steuerventils (10) nur einseitig durch einen Elektromagneten (18) angesteuert und auf der anderen Seite durch Federkraft (Federn 20, 21) beaufschlagt wird,
und daß der Steuerschieber so ausgestaltet ist, daß er in seiner magnetseitigen Endlage die Steuerleitungen (9.1, 9.2) zwischen Steuerventil (10) und Antrieb (1) ver­ schließt.

4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Federseite zwei Federn einwirken, von denen eine weichere Feder (20) (Sicherheitsfeder) einen Federweg hat, der den gesamten Stellhub des Steuer­ schiebers (12) umfaßt und von denen die härtere Feder (21) (Steuerfeder) einen Federweg hat, der den Betriebs­ weg des Steuerschiebers (12) umfaßt und kürzer ist als der gesamte Stellhub des Steuerschiebers.

5. Steuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkanäle (5.1 und 5.2) sowie die Steuerkanäle (9.1 und 9.2) beider Antriebsseiten durch aufsteuerbare Rück­ schlagventile (28.1 und 28.2) gegen die Rücklaufrichtung gesperrt sind.

6. Steuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antriebsseite durch jeweils eine gemeinsame Zulei­ tung (4.1, 4.2) mit dem Druckkanal (5.1) bzw. (5.2) sowie dem Steuerkanal (9.1) bzw. (9.2) verbunden ist, und daß die Rückschlagventile (28.1) bzw. (28.2) in der jeweiligen gemeinsamen Zuleitung (4.1) bzw. (4.2) liegen.

7. Steuerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Rückschlagventile (28.1, 28.2) in Abhängigkeit von dem Verbraucherdruck der dem jeweiligen Rückschlag­ ventil zugeordneten Seite des Positionierantriebs auf­ steuerbar ist.

8. Steuerung nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile hydraulisch aufsteuerbar sind.

9. Steuerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile (28.1, 28.2) elektro-hydraulisch aufsteuerbar sind.

10. Steuerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile elektromagnetisch aufsteuerbar sind.

11. Steuerung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ungesteuerte Rückschlagventile mit Durchflußrichtung zum Verbraucher in der der jeweiligen Verbraucherseite zugeführten, von der Pumpleitung (7) abzweigenden Druck­ leitung (5.1, 5.2) vor deren Verbindung mit der Steuer­ leitung (4.1) bzw. (4.2), vorzugsweise vor der in der Druckleitung (5.1, 5.2) jeweils angeordneten Drossel (6.1) bzw. (6.2) angeordnet sind.

12. Steuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pumpleitung (7) und/oder der Steuerleitung Schnellschaltventile angeordnet werden, die durch Elektromagnet aufgesteuert werden und bei Stromausfall des Elektromagneten (18) des Steuerventils (10) schließen.

13. Steuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Steuerung Bestandteil eines Lageregel­ kreises ist, in dem die Lage des Positionierantriebes durch einen Wegsensor gemessen und nach einem Soll-/ Istwertvergleich über einen Regler und Verstärker auf den Elektromagneten (18) des Steuerventils (10) zurückgeführt wird.