DE3844404C2 - Ventilanordnung zum lastunabhängigen Steuern mehrerer gleichzeitig betätigbarer hydraulischer Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Ventilanordnungen zum lastunabhängigen Steuern mehrerer gleichzeitig betätigbarer hydraulischer Verbraucher gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Eine solche gattungsgemäße Ventilanordnung ist aus der DE 32 01 546 C2 bekannt. Sie ist insbesondere für Druckwaagen geeignet. Druckwaagen zum lastunabhängigen Steuern von Verbrauchern sind bekannt. Die bekannten Druck­ waagen sind stromauf oder stromab der an die Pumpendruckleitung angeschlosse­ nen Steuerdrossel eingebaut. Die Steuerdrossel wird von der zulaufseitigen Steuer­ kante eines Wegeventils gebildet. Der Regelkolben der Druckwaage wird in Öff­ nungsrichtung von einer Feder beaufschlagt. Außerdem liegt am Regelkolben die Druckdifferenz über die Meßdrossel an, durch welche der Durchfluß zum Verbrau­ cher bestimmt ist. Außerdem liegt am Regelkolben die Druckdifferenz über die Meßdrossel an, durch welche der Durchfluß zum Verbraucher bestimmt ist. Steigt der Lastdruck, so öffnet die Druckwaage, und sinkt der Lastdruck, so schließt die Druckwaage, um die an der Meßdrossel eingestellte Druckdifferenz und damit den Durchfluß zum Verbraucher und dessen Geschwindigkeit lastunabhängig konstant zu halten.

Darüber hinaus ist es bekannt, den Lastdruck des lastführenden Verbrauchers über eine Wechselventilkette oder ähnliche Einrichtungen zu erfassen und an den Pumpenregler zu melden. Dieses System wird als Load-Sensing bzw LS-System bezeichnet. Abhängig von dem LS-Druck wird der Schwenkwinkel der Ver­ stellpumpe vergrößert oder verkleinert, um die Fördermenge der Pumpe dem Bedarf anzupassen.

Das LS-System kann somit geschobene Lasten, z. B. das Heben einer Last dynamisch voll ausregeln, nicht aber schiebende Lasten. Die Kontrolle über eine Senkbewegung muß vielmehr einem getrennt regelnden Senkbremsventil übertragen werden. Das LS-System kann im übrigen schiebende Lasten nur dann erkennen (kein LS-Druck vorhanden), wenn alle parallelge­ schalteten Verbraucher gesenkt werden. Darüber hinaus handelt es sich beim LS-System um Hochdrucksignale, die einen erhöhten Aufwand bei der Erfassung und Verarbeitung insbesondere im Zusammenhang mit einer elektrischen Rege­ lung bedingen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Anwendungs­ möglichkeit von Druckwaagen zu erweitern, insbesondere auch schiebende Lasten auszuregeln und ein im Vergleich zum LS- System einfacheres System zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Erfindungsgemäß wird die Rücklaufdrossel des Wegeventils zwischen dem Verbraucher und dem Tank als Meßdrossel genutzt und die Druckwaage dieser Meßdrossel zugeordnet. Es wird somit die Druckdifferenz an der Rücklaufdrossel des Wege­ ventils zum Tank als Durchflußmeßsignal verwendet. Dieses System soll im Gegensatz zum LS-System als Flow-Sensing bzw FS-System bezeichnet werden. Obwohl das FS-System im Gegen­ satz zum LS-System eine direkte Messung des Druckes am last­ führenden Verbraucher nicht zuläßt, werden erfindungsgemäß folgende Probleme gelöst:

• 1. Es können schiebende Lasten dynamisch voll ausgeregelt werden. Die nachgeschaltete Druckwaage übernimmt die Senkbremsfunktion.
• 2. Der Steuerdruck in der FS-Signalleitung wird von einer Fremddruckquelle, z. B. aus der Niederdruckversorgung der Vorsteuergeräte für die Wegeventile gespeist. Als FS- Signal wird der Druck unmittelbar nach einer Drossel­ stelle hinter der Fremddruckquelle verwendet, d. h. bei Entnahme von Steueröl aus der FS-Leitung sinkt der FS- Druck je nach Größe des Entnahmestroms. Der FS-Druck wird einem Pumpenregler zugeführt, der bei sinkendem FS-Druck die Pumpe ausschwenkt.
• 3. Die Signalerfassung und -verarbeitung ist beim FS-System erheblich einfacher, da es sich um Niederdrucksignale handelt. Der Übergang zu einer elektronischen Regelung ist daher besonders kostengünstig und die. Bildung über­ geordneter Regelfunktionen wird erheblich erleichtert.

Erfindungsgemäß wird das FS-System wesentlich verbessert, wenn die Druckwaage Steuerkanten sowohl im Zulauf als auch im Rücklauf des Verbrauchers beeinflußt. Erfindungsgemäß wird somit eine Druckwaage mit drei definierten Stallungen verwendet, die eine federzentrierte Mittelstellung ent­ sprechend voll geöffneter Steuerkante sowie eine linke bzw rechte Extremstellung mit jeweils geschlossener Steuerkante aufweist. Diese Druckwaage läßt sich durch die Wegeventil­ steuerung reversieren, d. h. bei einem entsprechenden Wegeventil ist nur eine Druckwaage mit zwei Steuerkanten für beide Bewegungsrichtungen erforderlich. Die Durchströmrichtung wird je nach Bewegungsrichtung des Verbrauchers reversiert und die Druckwaage ist in beiden Strömungsrichtungen funktions­ fähig.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung für über Wegeventile an eine Ver­ stellpumpe angeschlossene Verbraucher mit ab­ laufseitiger Druckwaage;

Fig. 2 eine Variante der Fig. 1 mit hydraulisch be­ tätigten Wegeventilen;

Fig. 3 ein Wegeventil mit einer ablaufseitig in beiden Arbeitsrichtungen des Verbrauchers durchström­ baren Druckwaage; und

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 mit einer Dreiwege-Druckwaage im Verbraucherzu- und Rück­ lauf und mit Ventilen für eine Grenzlastregelung.

In Fig. 1 ist eine Verstellpumpe 1 mit einem Pumpenregler 2 als Förderstromregler versehen und fördert in eine Druck­ leitung 3, an welche mehrere Verbraucher 4 und 104 in ent­ sprechender Weise angeschlossen sind. Der Anschluß des Verbrauchers 4 an die Pumpendruckleitung bzw. an einen Tank T erfolgt über ein Wegeventil bekannter Bauart, dessen Zulaufsteuerkante 6 zwischen der Pumpendruckleitung 3 und dem Verbraucher und dessen Ablaufsteuerkante 8 zwischen dem Verbraucher und dem Tank liegt. Die zwangsweise Verstellung von Zulauf- und Ablaufsteuerkante, die an einem gemeinsamen Kolben des Wegeventils ausgebildet sind, ist mit der Verbindung 9 angedeutet. Zwischen dem Verbraucher und der ablaufseitigen Steuerkante 8 ist eine Druckwaage 10 angeordnet, die von einer Feder 11 in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung vom Druck zwischen der Druckwaage 10 und der Ablaufsteuerkante 8 beaufschlagt ist. Gleichsinnig mit der Feder 11 wirkt in Öffnungsrichtung der Druckwaage 10 ein FS-Drucksignal in einer FS-Leitung 12, die über eine Blende 14 an eine Fremddruckquelle von verhältnismäßig niedrigem Druck, z. B. einer Steuerdruckleitung 15 angeschlossen ist, welche beispielsweise einen Druck von 20 oder 30 Bar führt, der ausreicht, um nicht dargestellte hydraulische Vorsteuergeräte zur hydraulischen Betätigung des Wegeventils zu speisen. Ferner ist die FS-Druckleitung 12 über ein Rückschlagventil 16 mit der Abflußleitung 18 des Verbrauchers zum Tank verbunden, wobei das Rückschlagventil in Richtung zur Ablaufsteuerkante 8 hin öffnet.

Der Anschluß weiterer Verbraucher an die Pumpendruckleitung 3 sowie des Pumpenreglers 2 sowie der zu den weiteren Ver­ brauchern gehörenden Druckwaagen an die FS-Leitung 12 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt (Kennziffern über 100).

Die Wirkungsweise ist folgende: Die Druckwaage 10 soll öffnen, wenn sich infolge eines vergrößerten Lastwiderstandes die Verstellgeschwindigkeit des Verbrauchers verringert, um so den Durchfluß zu vergrößern und die Geschwindigkeit zu steigern. Bei sinkendem Lastwiderstand dagegen soll von der Druckwaage der zu hohe Durchfluß verringert werden, so da0 die Druckwaage schließt und damit die Geschwindigkeit des Verbrauchers verringert.

Steigt der Druck in der Ablaufleitung 18 vor der Ablaufsteuer­ kante 8 des Wegeventils, weil der Verbraucher 4 mehr Arbeits­ mittel verdrängt, als über die Ablaufsteuerkante 8 zum Tank hin abfließen kann, so wird die Druckwaage 10 von diesem Staudruck in Schließrichtung entgegen der Kraft der Feder 11 und dem FS-Druck in der Leitung 12 beaufschlagt. Dieser Druck in der Leitung 18 ist ein Maß für die Druckdifferenz an der Ablaufsteuerkante 8, da der tankseitige Ablaufdruck als konstant angesehen wird.

Fließt dagegen über die tankseitige Meßdrossel 8 mehr Arbeits­ mittel ab als vom Verbraucher 4 verdrängt wird, wenn der Verbraucher einen hohen Lastwiderstand erfährt, so sinkt der Druck von der ablaufseitigen Meßdrossel 8 und die Druckwaage 10 öffnet, um den Durchfluß zu vergrößern und damit die Ge­ schwindigkeit des Verbrauchers zu erhöhen.

Die abflußseitige Druckwaage wirkt somit wie eine zuflußseitige Druckwaage im LS-System, wobei aber nicht nur geschoben, sondern auch schiebende Lasten lastunabhängig ausgeregelt werden.

Der FS-Druck in der Leitung 12 wird auch dem Pumpenregler zugeführt. Das zu der Verstelleinrichtung 2 der Pumpe gehörende Förderstromregelventil 200 wird einerseits von der Kraft einer Feder 201 und gegensinnig vom FS-Druck beaufschlagt, um die Pumpe zu verstellen. Üblicherweise beträgt der Federdruck 15 Bar. Ist der FS-Druck größer als 15 Bar, so soll die Ver­ stellpumpe 1 zurückschwenken, den Förderstrom also verringern, und ist der FS-Druck kleiner als der Federdruck von 15 Bar, so soll die Pumpe ausschwenken, und den Förderstrom ver­ größern. Über das Rückschlagventil 18 kann der FS-Druck in der Leitung 12 zur Ablaufleitung 18 hin abgebaut werden, wenn der Druck dort niedriger ist. Dies ist der Fall, wenn beim lastführenden Verbraucher die Geschwindigkeit sinkt und damit der Druck vor der Ablaufsteuerkante 8 verringert wird. Dann öffnet das Rückschlagventil 16 und der FS-Druck wird in der Leitung 12 unter den Wert von 15 Bar verringert, so daß die Pumpe 1 ausschwenkt und den Förderstrom erhöht. In diesem Fall ist der Druck in der Leitung 18 so gering, daß die Druckwaage 10 natürlich voll geöffnet ist. Erhöht sich nun durch das Ausschwenken der Pumpe der Förderstrom, so kommt die Druck­ waage wieder in ihren Regelbereich, in dem die Drucksignale auf den beiden Seiten des Kolbens der Druckwaage am last­ führenden Verbraucher gleich sind.

Wie dargestellt, sind die Druckwaage der parallelgeschalteten, nicht lastführenden Verbraucher an die FS-Leitung in der dar­ gestellten Weise angeschlossen.

Im umgekehrten Fall, wenn der Druck in der Ablaufleitung 18 ansteigt, bleibt das Rückschlagventil 16 geschlossen und der Druck in der Leitung 12 wird über die Drossel 14 aus der Fremddruckquelle wieder aufgefüllt, bis der Druck von 15 Bar am Pumpenrelger 2 überschritten ist und damit die Pumpe zu­ rückschwenkt und den Förderstrom verringert.

Gerät der Verbraucher 4 bei ziehender Last in einen Zustand, in dem er aus der Leitung 3 Arbeitsmittel nachsaugt, so kann der Druck stromab der Meßdrossel 6 so weit absinken, daß ein zwischen Meßdrossel 6 und Verbraucher 4 an den Druckmittelweg angeschlossenes Rückschlagventil 17 öffnet und der Druck in der Signalleitung 12 absinkt. Dadurch schwenkt die Pumpe 1 aus und liefert den für den Verbraucher 4 nötigen Förder­ strom, um Kavitation beim Nachsaugen zu vermeiden.

In Fig. 2 ist eine Variante der Fig. 1 dargestellt, wonach das Wegeventil 6, 8, 9 von einem Wegeventilkolben 22 hydrau­ lisch verstellt wird. Der Steuerdruckraum 23 ist über eine Drossel 24 und ein Druckminderventil 25 an die Steuerdruck­ leitung 15 mit dem Konstantdruck P₀ angeschlossen. Die Ver­ bindung des Zylinderraums 23 für den Kolben 22 zur FS-Leitung 12 erfolgt über ein sich in Richtung der FS-Leitung 12 öff­ nenden Rückschlagventil 26. An dem Druckminderventil 25 wird elektrisch ein Sollwert für die Verstellung des Wegeventils 6, 8, 9 eingestellt.

Bricht bei Unterversorgung in der bereits geschilderten Weise der FS-Druck in der Leitung 12 zusammen, indem sich das Rückschlagventil 16 zur Abflußleitung 18 hin öffnet, so öffnet auch das Rückschlagventil 26 und der Druck im Zylinderraum 23 sinkt ab, so daß der Kolben 22 verstellt wird und so das Wegeventil in eine Stellung gelangt, in der der Durchfluß verringert ist. Dies gilt auch für alle parallelgeschalteten Verbraucher, so daß in diesem Fall durch das sinkende FS-Drucksignal alle Wegeventilkolben gleichmäßig zurückgesetzt und damit der Durchfluß ver­ ringert wird. Die Blende 24 verhindert, daß in diesem Fall über das Vorsteuerventil 25 der Druck im Zylinderraum 23 angehoben wird.

In Fig. 3 ist ein im Aufbau ähnliches FS-System dargestellt, bei dem die Druckwaage 20 als Dreiwegedruckwaage dargestellt ist, die aus der federzentrierten Mittelstellung, in der sie geöffnet ist, zwei Extremstellungen aufweist, in denen sie geschlossen ist, je nachdem, ob der Druck in der Leitung 18 oder 18a größer oder kleiner als der FS-Druck in der Lei­ tung 12 ist.

In Fig. 3 ist ein doppeltwirkender Zylinder 30 als Verbraucher dargestellt, der über ein Wegeventil 31 an die Pumpendruck­ leitung P bzw. an den Tank T anschließbar ist. Die Druckmittel­ wege durch das Wegeventil 31 sind so einstellbar, daß nur eine Druckwaage 20 nötig ist, um die lastunabhängige Steuerung in allen Betriebsarten des Verbrauchers zu ermöglichen. Das Wegeventil 31 ist so ausgebildet, daß die Druckwaage 20 in beiden Arbeitsrichtungen des doppeltwirkenden Zylinders durchströmt wird sowie grundsätzlich ablaufseitig angeordnet ist. Das Wegeventil 31 ist in beiden Arbeitsrichtungen von Druckminderventilen 32 bzw. 33 als Vorsteuergeräte verstell­ bar. Die FS-Leitung 12 wird in der in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Weise mit einer Fremddruckquelle, dem Pumpen­ regler und den Druckwaagen von parallelgeschalteten Ver­ brauchern verbunden.

Die in Fig. 3 dargestellte Druckwaage 20 ist in beiden Bewe­ gungsrichtungen des Verbrauchers wirksam. Die FS-Energie wird wiederum von einer Niederdruckquelle über die Drossel 14 der Druckwaage 20 und auch in entsprechender Weise den Druckwaagen von parallelgeschalteten Verbrauchern zugeführt. Das Durch­ fluß-Meßsignal, d. h. die Druckdifferenz an der Rücklaufsteuer­ kante 8 des Wegeventils liegt auf der jeweils anderen Seite der Druckwaage an und schließt den Regelkolben bei Über­ schreitung des vom FS-Druck vorgeschriebenen Durchflußwertes.

Überschreitet der von den Verbrauchern geforderte Durchfluß den maximalen Pumpenförderstrom (Unterversorgung), dann bricht an der Ablaufsteuerkante 8 des lastführenden Verbrauchers der Meßdruck zusammen und der FS-Druck sinkt ab, wenn das Rück­ schlagventil 16 öffnet. Da auch die Druckwaagen der anderen Verbraucher an die Leitung 12 angeschlossen sind, reduzieren sich die Förderströme aller parallelgeschalteten Verbraucher durch Absenken des FS-Druckes.

In Fig. 4 ist eine zweite Druckwaage 40 zulaufseitig zwischen dem Verbraucher und der Zulaufsteuerkante des Wegeventils an­ geordnet. Ansteuerung und Funktion der Druckwaagen 20 und 40 sind identisch. Es handelt sich somit um eine Zwillingsdruck­ waage wie durch die mechanische Verbindung 41 angedeutet ist. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als bei einem sehr hohen Druckgefälle am Verbraucher Der Druck von jeder Druck­ waage 20 bzw. 40 hälftig abgebaut wird.

Zusätzlich ist in Fig. 4 ein Druckabschneideregelventil 50 in der FS-Leitung 12 sowie ein Leistungsventil 60 in der Steuerdruckleitung 15 vorgesehen.

Zur Druckbegrenzung dient das unter der Kraft der Feder 51 geöffnete Drosselventil 50, das gegensinnig vom Pumpendruck in der Leitung 3 beaufschlagt ist. Erreicht der Pumpendruck den zulässigen Höchstdruck, der durch die Vorspannkraft der Feder 51 vorgegeben ist, so wird das Drosselventil 50 in Schließrichtung verstellt, der Druck in der FS-Leitung er­ höht sich und es wird so eine "künstliche" Unterversorgung am Pumpenregelventil 200 signalisiert und damit die Pumpe 1 solange zurückgeschwenkt, bis der durch die Feder 51 vorbe­ stimmte Grenzdruck nicht mehr überschritten wird. Das Drossel­ ventil 50 hält somit die Pumpenverstellung im Regelbereich und dient als Druckabschneideregelventil.

In der Steuerdruckleitung, an welche die Druckminderventile 25 zur Ansteuerung der Wegeventile 6, 8, 9 angeschlossen sind, ist ferner ein Drosselventil 60 eingebaut, das norma­ lerweise geöffnet wird. Übersteigt das Produkt von Pumpen­ druck und Pumpenhub die Kraft der Feder 61, so drosselt das Ventil 60 und senkt den Steuerdruck in der Leitung 15 ab, so daß alle über die Vorsteuerventile 25 angeschlossenen Wegeventile der Verbraucher verhältnisgleich im Durchfluß gedrosselt bzw. zurückgesetzt werden, wenn der an den Vor­ steuerventilen 25 elektrisch eingestellte Solldruck unter­ schritten wird.

Claims (11)

1. Ventilanordnung zum lastunabhängigen Steuern mehrerer gleichzeitig be­ tätigbarer hydraulischer Verbraucher (4, 104, 30), denen jeweils ein Wegeventil zur Steuerung der Druckmittelmenge und eine Druckwaage (10, 110, 20) zugeordnet ist, deren Regelkolben in Öffnungsrichtung von einer Feder (11, 111) beaufschlagt ist, und die über eine Druckmittelquelle (1) mit verstellbarer Liefermenge mit Druck­ mittel versorgbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwaage (10, 110, 20) zwischen dem Verbraucher (4, 104, 30) und der tankseitigen Steuerkante (8, 108) des Wegeventils angeordnet ist, daß eine an eine Steuerölquelle angeschlossene Steuerleitung (12) über eine Drossel (14) und ein zur Drossel (14) hin sperrendes Rückschlagventil (16, 116) zwischen der Druckwaage (10, 110, 20) und der tank­ seitigen Steuerkante (8, 108) des Wegeventils zu der zum Tank (T) führenden Lei­ tung (18, 118) führt, daß der Regelkolben der Druckwaage (10, 110, 20) in Schließ­ richtung vom Druck vor der tankseitigen Steuerkante (8, 108) und in Öffnungsrich­ tung zusätzlich zur Feder (11, 111) vom in der Steuerleitung (12) zwischen der Drossel (14) und dem Rückschlagventil (16, 116) herrschenden Steuerdruck beauf­ schlagt ist und daß dieser Steuerdruck als durch Verstellung der Druckmittelquelle (1) in Übereinstimmung mit einer Sollgröße bringbare Regelgröße genutzt wird.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Steuerdruck führende Leitung (12) mit dem Pumpenregler (2) einer Verstellpumpe verbunden ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pum­ penregler (2) gegensinnig zum Steuerdruck in der Leitung (12) von einer Feder be­ lastet ist.

4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Fremddruckquelle größer als der Ansprechdruck des Druckreg­ lers der Pumpe und größer als der maximale Verstelldruck am Kolben (22) eines hydraulisch angesteuerten Wegeventils ist, wobei mit steigendem Steuerdruck die Pumpe zurückschwenkt und mit sinkendem Steuerdruck die Pumpe ausschwenkt.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-4 mit hydraulischen Ver­ stelleinrichtungen für die Wegeventile, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (23) für den Kolben (22) zur Betätigung des Wegeventils über eine Drossel (24) an eine Steuerdruckleitung und über ein in Richtung zum Steuerraum (23) schließendes Rückschlagventil (25) mit der den Steuerdruck führenden Leitung (12) verbunden ist.

6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbraucher (4) und einer pumpendruckseitigen Steuerkante (6) des Wegeventils eine Druckwaage (40) angeordnet ist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ablaufdruckwaagen mechanisch oder hydraulisch gekoppelt sind.

8. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwaage (20, 40) als Dreiwege-Druckwaage ausgebildet ist, deren ge­ öffnete Mittelstellung federzentriert ist und die aus der Mittelstellung nach beiden Seiten in eine Sperrstellung verstellbar ist.

9. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwaage (20) in Verbindung mit einem Wegeventil (31) in beiden Arbeitsrich­ tungen eines doppeltwirkenden Verbrauchers durchströmbar ist.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Maximaldruck betätigtes Drosselventil (50) bei Überschreitung eines zulässigen Höchstdruckes den Signalfluß (FS) zwischen Druckregler (2) und Druckwaage (10) drosselt.

11. Ventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerdruckleitung (15) für die Vorsteuerventile (25) der Wegeventile ein Drossel­ ventil (60) als Leistungsregelventil eingebaut ist, das abhängig vom Pumpendruck und Pumpenhub den Druck in der Steuerdruckleitung (15) absenkt.