DE4102203A1 - Hydraulisches antriebssystem - Google Patents

Hydraulisches antriebssystem

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Peter Dr Ing Beater
Alfred Dipl Ing Krusche
Siegfried Schurawski
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Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Antriebssystem mit einem an eine Druckmittelquelle angeschlossenen Ver­ braucher hydraulischer Energie, der mittels eines in Zwischenstellungen drosselnden Steuerventils betätigbar ist, dessen Öffnungsweite von einer aus einem vorzugebenden Steuersignal und dem Lastdruck des Verbrauchers abgeleiteten und an dem Steuerventil abgebildeten Kraftdifferenz bestimmt ist.
Ein derartiges Antriebssystem ist aus der DE-OS 31 46 561 bekannt, wobei dort das Steuersignal von einem Steuerdruck gebildet ist. Im Gegensatz zu den sonst üblichen Antriebssyste­ men, bei denen die Öffnungsweite des Steuerventils ausschließ­ lich durch die Höhe des Steuerdrucks bestimmt und damit ein bestimmter Volumenstrom an Druckmedium und eine bestimmte Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers vorgegeben wird, fließt bei einem gattungsgemäßen Antriebssystem das Druck­ mittel dem Verbraucher mit einem ganz bestimmten Druck bzw. einer bestimmten verbraucherseitigen Druckdifferenz zu, so daß der Verbraucher mit einer dementsprechend vor­ bestimmten Kraft bzw. einem vorbestimmten Drehmoment bewegt wird. Ein solches Antriebssystem kann sowohl für trans­ latorische als auch für rotatorische Verbraucher angewendet werden. Das Antriebssystem ist so ausgebildet, daß die Kraft bzw. das Drehmoment im wesentlichen konstant gehalten wird: Bei nachlassender Belastung des Verbrauchers und damit zunächst sinkendem Lastdruck vergrößert sich wegen des gleichbleibenden Steuerdrucks die Öffnungsweite des Steuerventils so weit bis infolge des somit erhöhten Volumen­ stroms der Lastdruck wieder auf das ursprüngliche Niveau gebracht ist und die ursprünglich eingestellte Druckdifferenz wieder erreicht ist. Damit ist jedoch die Bewegungsgeschwin­ digkelt des Verbrauchers erhöht. Eine Erhöhung der Bewegungs­ geschwindigkelt kann beispielsweise auch dann eintreten, wenn der beschriebene Verbraucher an eine im Hubvolumen verstellbare Pumpe angeschlossen ist, die einen oder auch mehrere weitere Verbraucher versorgt. Wenn nun der erste Verbraucher unter einen bestimmten Lastdruck mit vollständig geöffnetem Steuerventil, das heißt mit der maximal vorgesehenen Bewegungsgeschwindigkelt betrieben wird, wobei der Pumpen­ druck um einen bestimmten Betrag höher ist als der Lastdruck und wenn infolge entsprechender Belastung eines zweiten Verbrauchers der Pumpendruck weiter zunimmt, so wird die Bewegungsgeschwindigkeit des ersten Verbrauchers den maximal vorgesehenen Wert überschreiten. Ein Nachteil des beschrie­ benen Antriebssystems besteht daher darin, daß die Bewegungs­ geschwindigkeit des Verbrauchers abgesehen von reibungs­ bedingten Geschwindigkeitsverlusten nicht begrenzt ist. Dies kann beispielsweise bei einem als Hydromotor ausge­ bildeten Verbraucher zu Überdrehzahlen und zur Zerstörung des Hydromotors führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem hydraulischen Antriebssystem der eingangs ge­ nannten Art eine Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Steuersignal in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwin­ digkeit des Verbrauchers beeinflußbar ist. Der erfindungs­ wesentliche Gedanke besteht demnach darin, in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers die Kraft­ differenz am Steuerventil in eine Richtung zu verschieben, In der die Öffnungsweite des Steuerventils zumindest bei - behalten wird. Das heißt, daß bei einem Steuerventil, bei dem die Kraftdifferenz mit Hilfe eines Steuerdrucks und des Lastdrucks gebildet wird, trotz sinkendem Lastdruck das Steuerventil nicht weiter öffnet, wenn der Steuerdruck entsprechend abgesenkt wird und somit die Druckdifferenz erhalten bleibt. Dadurch wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers auf einen bestimmten Wert begrenzt, wobei allerdings die ursprünglich gewünschte Kraft bzw. das ur­ sprünglich gewünschte Drehmoment nicht mehr erreicht wird.
Das Steuersignal kann auch ein elektro-magnetisches Signal sein, beispielsweise dann, wenn das Steuerventil elektrisch betätigt wird.
Bei einem hydraulischen Antriebssystem, bei dem zu einer in Öffnungsrichtung wirksamen Stellfläche des Steuerven­ tiles eine Steuerdruckleitung und zu einer entgegengesetzt wirksamen Stellfläche eine mit Lastdruck beaufschlagbare Leitung geführt ist, wird gemäß einer vorteilhaften Aus­ gestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß von der Steuer­ druckleitung eine Ablaßleitung abzweigt, in der ein in Schließrichtung federkraftbelastetes, in Zwischenstellungen drosselndes Wegeventil angeordnet ist, das mit einer die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers erfassenden Meß­ vorrichtung in Wirkverbindung steht. Sobald eine bestimmte Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers überschritten wird, öffnet das Wegeventil, so daß ein Abbau des Steuerdrucks erfolgt und eine weitere Zunahme der Bewegungsgeschwindig­ keit des Verbrauchers verhindert wird.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dem Wegeventil ein Druckbegrenzungs-Ventil nachzuschalten, wodurch der Steuerdruck nur bis auf ein vorbestimmtes Niveau abgesenkt wird. Dadurch wird verhindert, daß der Steuerdruck vollständig zusammenbricht.
Der Einsatz eines Druckbegrenzungsventiles ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Antriebs­ system dynamisch so ausgelegt ist, daß eine Schwingungs­ anfälligkeit gegeben ist.
Zur Vorgabe unterschiedlicher Maximalgeschwindigkeiten des Verbrauchers ist das Druckbegrenzungs-Ventil vorteil­ hafterweise einstellbar ausgebildet.
Die Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkelt des Verbrauchers kann auf verschiedenste Weise erfolgen. Beispielsweise kann dies elektrisch geschehen, so daß in diesem Fall das Wegeventil als elektromagnetisch betätigtes Wegeventil aus­ gebildet ist. Besonders einfach und zweckmäßig ist es, wenn die Meßvorrichtung aus einer Blende besteht, die in der Versorgungsleitung zwischen Druckmittelquelle und Verbraucher angeordnet ist, wobei stromauf der Blende eine Leitung abzweigt, die zu einer in Öffnungsrichtung wirk­ samen Stellfläche des Wegeventiles führt, und stromab der Blende eine Leitung abzweigt, die zu einer entgegengesetzt wirksamen Stellfläche des Wegeventiles führt. Der sich an der Blende einstellende Druckabfall steht in einem bekannten Verhältnis zum Volumenstrom und somit auch zur Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers. Überschreitet der Druckabfall an der Blende einen bestimmten Wert, so wird das Wegeventil geöffnet und der Steuerdruck auf den gegebenenfalls durch das Druckbegrenzungsventil vorbe­ stimmten Wert abgesenkt und die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers auf einen Maximalwert beschränkt. Die Blende kann zur Variierung der Maximalgeschwindigkeit des Verbrauchers auch verstellbar ausgeführt sein.
Bei einem hydraulischen Antriebssystem, bei dem der Ver­ braucher über zwei von dem Steuerventil ausgehenden Leitungen in beide Richtungen beaufschlagbar ist und bei dem zu dem als Vieranschluß/Dreistellungsventil ausgebildeten Steuer­ ventil zwei an entgegengesetzt wirksamen Stellflächen mündende Steuerdruckleitungen geführt sind, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Steuerdruckleitungen mit den Eingängen eines Wechsel­ ventiles in Verbindung stehen, an dessen Ausgang die Ablaß­ leitung angeschlossen ist. Dies kann in einer zweckmäßigen Abwandlung auch dadurch geschehen, daß die Steuerdruck­ leitungen mit den beiden eingangsseitigen Anschlüssen eines durch Druck betätigten Dreianschluß/Zweistellungsventiles in Verbindung stehen und wechselweise mit der ausgangs­ seitig angeschlossenen Ablaßleitung in Verbindung bringbar sind, wobei das Dreianschluß/Zweistellungsventil zwei ent­ gegengesetzt angeordnete Stellflächen aufweist, von denen jede mit einer der Leitungen zwischen Steuerventil und Verbraucher in Verbindung steht. Es wird dadurch der höchste Steuerdruck nicht unmittelbar ermittelt, sondern mittelbar über den Steuerdruck, der zum höheren Lastdruck gehört.
Es ist günstig, die Blende zur Erfassung der Bewegungs­ geschwindigkeit des Verbrauchers zwischen Druckmittelquelle und Steuerventil anzuordnen und in diesem Fall das Wege­ ventil als Zweianschluß/Zweistellungsventil mit Offen- und Schließstellung auszubilden. In einer anderen günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, daß die Blende in einer der Leitungen zwischen Steuerventil und Verbraucher angeordnet und das Wegeventil als Zweianschluß/Drei­ stellungsventil mit zwei Offen- und einer dazwischen liegenden Schließstellung ausgebildet ist. Die Tatsache, daß das Geschwindigkeits-Meßsignal, nämlich der Druckab­ fall an der Blende, vorzeichenbehaftet ist, wird durch die genannte Ausbildung des Wegeventiles berücksichtigt.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines hydraulischen Antriebssystems auf den Drehwerksantrieb eines Baggers. Dort wird in der Regel ein Hydromotor als Verbraucher hydraulischer Energie verwendet, dessen Drehmoment durch das gattungsgemäße hydraulische Antriebssystem vorgegeben wird. Das erfindungsgemäß ausgebildete Antriebssystem ver­ hindert eine Zerstörung des Hydromotors durch Überdrehzahlen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes hydraulisches Antriebssystem,
Fig. 2 eine Variante des hydraulischen Antriebssystems,
Fig. 3 eine weitere Variante des hydraulischen Antriebssystems.
Das Ausführungsbeispiel stellt den Drehwerksantrieb eines Baggers dar. Ein in beide Richtungen beaufschlagbarer Hydromotor 1 ist über Leitungen 2 und 3 an ein in Zwischen­ stellungen drosselndes, federzentriertes Steuerventil 4 angeschlossen, das den Zufluß von Druckmedium steuert, welches in der Leitung 5 ansteht und von einer in der Figur nicht gezeigten Druckmittelquelle zur Verfügung gestellt wird. Eine Leitung 6 führt zu einem Tank oder in die Rück­ laufleitung eines hydrostatischen Getriebes. Das Steuer­ ventil 4 Ist als Vieranschluß/Dreistellungsventil ausge­ bildet. In beide Bewegungsrichtungen des Steuerventils 4 ist zu entsprechenden Stellflächen jeweils eine mit Steuer­ druck beaufschlagbare Steuerdruckleitung 7 bzw. 8 und eine mit Lastdruck beaufschlagbare Leitung 9 bzw. 10 geführt. Die Steuerdruckleitungen 7 und 8 sind an einen Steuerdruck­ geber 11 angeschlossen, mit dem Steuerdrücke in den Steuer­ druckleitungen 7 und 8 willkürlich einstellbar sind. Die Lastdruck führende Leitung 9 Ist von der Leitung 3 abgezweigt und die Lastdruck führende Leitung 10 von der Leitung 2.
Der Aufbau des hydraulischen Antriebssystems entspricht bis dahin dem bekannten Stand der Technik. Wird beispiels­ weise in der Steuerdruckleitung 7 mit Hilfe des Steuerdruck­ gebers 11 ein Steuerdruck aufgebaut, so wird das Steuer­ ventil 4 bzw. dessen Schieber entgegen der Federkraft nach In der Figur rechts verschoben und eine Verbindung zwischen den Leitungen 2 und 5 und den Leitungen 3 und 6 hergestellt. Es fließt daher Druckmedium von der Leitung 5 in die Leitung 2, wobei die Menge des fließenden Druckmediums von der Drosselstellung, das heißt der Öffnungs­ weite des Steuerventiles 4 abhängt. In der Leitung 2 baut sich ein Lastdruck auf, der über die Leitung 10 das Steuer­ ventil in Schließrichtung beaufschlagt. Nicht die Höhe des Steuerdrucks in der Leitung 7 sondern die Druckdifferenz aus Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 7 und Lastdruck in der Leitung 10 bestimmt daher die Öffnungsweite des Steuerventiles 4, so daß ein druckabhängiges Drehmoment am Hydromotor 1 vorgegeben werden kann, nicht jedoch eine volumenstromabhängige Drehzahl. Es ist daher bei diesem hydraulischen Antriebssystem nicht möglich, die Drehzahl des Hydromotors 1 zu begrenzen.
Erfindungsgemäß wird nun das hydraulische Antriebssystem derart ausgebildet, daß der Steuerdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl des Hydromotors 1 absenkbar ist, so daß die Druckdifferenz am Steuerventil 4 auch bei Absinken des Lastdruckes beibehalten werden kann.
Zur Erfassung der Drehzahl ist in die Leitung 5 eine gegebenen­ falls verstellbar ausgebildete Blende 12 geschaltet, an der ein Druckgefälle bei strömendem Druckmedium auftritt. Der Druck vor und nach der Blende 12 wird über Leitungen 13 und 14 den Stellflächen eines Wegeventiles mitgeteilt, das als in Zwischenstellungen drosselndes Zweianschluß/Zwei­ stellungsventil 15 ausgebildet ist. Dieses Wegeventil weist eine Offenstellung und eine federkraftbelastete Schließstellung auf. Die Leitung 13 mündet an einer in Öffnungsrichtung wirkenden Stellfläche und die Leitung 14 an einer in Schließ­ richtung wirkenden Stellfläche des Wegeventiles. Das Wegeventil ist in eine Ablaßleitung 16 geschaltet, die an ein Wechsel­ ventil 17 angeschlossen ist, welches über Leitungen 18 und 19 den höheren der Steuerdrücke in den Steuerdruck­ leitungen 7 und 8 weitergibt. Dem Wegeventil nachgeschaltet ist ein Druckbegrenzungs-Ventil 20, das an einen drucklosen Behälter 21 angeschlossen ist.
Das an der Blende 12 bei angesteuertem Steuerventil 4 in­ folge des durchfließenden Druckmittels entstehende Druck­ gefälle steht in einem bekannten Verhältnis zum Volumenstrom und damit in erster Näherung zur Drehzahl des Hydromotors 1. Überschreitet das Druckgefälle an der Blende 12 einen vor­ gegebenen Wert, das heißt übersteigt die Drehzahl des Hydromotors 1 einen bestimmten Wert, so wird das Wegeventil geöffnet. Es wird daher der höhere der vom Steuerdruckgeber 11 gelieferten Steuerdrücke durch das Wechselventil 17 ausge­ wählt und durch das geöffnete Wegeventil gegebenenfalls bis auf den durch das Druckbegrenzungs-Ventil 20 vorgegebenen Druck abgesenkt, mit der Folge, daß ein geringerer Steuerdruck in der Leitung 7 und am Steuerventil 4 ansteht. Die den beschriebenen Vorgang auslösende Erhöhung des Druckgefälles an der Blende 12 tritt dann auf, wenn beispielsweise infolge einer geringeren Belastung des Hydromotors 1 und damit einem Absinken des Lastdruckes in den Leitungen 2 und 10 das Steuerventil 4 etwas weiter öffnet, so daß sich der Volumenstrom zwischen Druckmittel­ quelle und Hydromotor 1 vergrößert. Durch das erfindungs­ gemäße Absenken des Steuerdrucks wird eine weitere Öffnung des Steuerventils 4 verhindert und damit der Volumenstrom des Druckmittels und die Geschwindigkeit des Verbrauchers begrenzt. Der ursprünglich vorhandene Lastdruck wird dann allerdings nicht mehr erreicht, das heißt es wird in diesem Grenzfall nicht mehr auf das ursprünglich am Hydromotor 1 vorgegebene Drehmoment ausgeregelt.
In Fig. 2 ist eine Variante des Ausführungsbeispiels gezeigt, bei der anstelle des Wechselventiles 17 ein durch Druck betätigtes Dreianschluß/Zweistellungsventil 22 vorgesehen ist, das eingangsseitig an die Leitungen 18 und 19 ange­ schlossen ist und diese wechselweise mit der Ablaßleitung 16 in Verbindung bringt. Zu diesem Zweck ist an jede Stell­ fläche des Ventils 22 eine Leitung 23 bzw. 24 geführt, die mit einer der Leitungen 2 bzw. 3 in Verbindung steht. Durch diese Anordnung wird daher immer derjenige Steuerdruck In die Ablaßleitung geführt, der zum höchsten Lastdruck gehört.
Fig. 3 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels, bei der die Blende 12 In die Leitung 2 geschaltet ist und dort den Volumenstrom mißt. Da sich bei einer Drehrichtungs­ umkehr des Hydromotors 1 das Vorzeichen des Druckgefälles an der Blende 12 ändert, das heißt das Druckmittel fließt dann vom Steuerventil 4 über die Leitung 3 zum Hydro­ motor 1 und von dort über die Leitung 2 zurück, ist das Wegeventil in der Ablaßleitung 16 als in Zwischenstellungen drosselndes Zweianschluß/Dreistellungsventil 25 ausgebildet mit zwei Offen- und einer dazwischen liegenden Schließ­ stellung. Damit öffnet das Wegeventil unabhängig davon, In welcher der Leitungen 13 oder 14 der höhere Lastdruck ansteht.

Claims (11)

1. Hydraulisches Antriebssystem mit einem an eine Druck­ mittelquelle angeschlossenen Verbraucher hydraulischer Energie, der mittels eines in Zwischenstellungen drosselnden Steuerventils betätigbar ist, dessen Öffnungsweite von einer aus einem vorzugebenden Steiner­ signal und dem Lastdruck des Verbrauchers abgeleiteten und an dem Steuerventil abgebildeten Kraftdifferenz bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer­ signal in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers beeinflußbar ist.
2. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem zu einer in Öffnungsrichtung wirksamen Stellfläche des Steuerventiles eine Steuerdruckleitung und zu einer entgegengesetzt wirksamen Stellfläche eine mit Lastdruck beaufschlagbare Leitung geführt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß von der Steuerdruckleitung (7, 8) eine Ablaß­ leitung (16) abzweigt, in der ein in Schließrichtung federkraftbelastetes, in Zwischenstellungen drosselndes Wegeventil angeordnet ist, das mit einer die Bewegungs­ geschwindigkeit des Verbrauchers erfassenden Meßvor­ richtung in Wirkverbindung steht.
3. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wegeventil ein Druckbegrenzungs­ ventil (20) nachgeschaltet ist.
4. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (20) einstellbar ist.
5. Hydraulisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung aus einer Blende (12) besteht, die in der Leitung (5, 6) zwischen Druckmittelquelle und Verbraucher angeordnet Ist, wobei stromauf der Blende eine Leitung (13) ab­ zweigt, die zu einer in Öffnungsrichtung wirksamen Stellfläche des Wegeventiles führt, und stromab der Blende eine Leitung (14) abzweigt, die zu einer ent­ gegengesetzt wirksamen Stellfläche des Wegeventiles führt.
6. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (12) verstellbar ist.
7. Hydraulisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Verbraucher über zwei von dem Steuerventil ausgehende Leitungen in beide Richtungen beaufschlagbar ist und bei dem zu dem als Vieranschluß/Drei­ stellungsventil ausgebildeten Steuerventil zwei an entgegengesetzt wirksamen Stellflächen mündende Steuerdruckleitungen geführt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerdruckleitungen (7, 8) mit den Eingängen eines Wechselventiles (11) in Verbindung stehen, an dessen Ausgang die Ablaßleitung (16) ange­ schlossen ist.
8. Hydraulisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Verbraucher über zwei von dem Steuerventil ausgehende Leitungen in beide Richtungen beaufschlagbar ist und bei dem zu dem als Vieranschluß/Drei­ stellungsventil ausgebildeten Steuerventil zwei an entgegengesetzt wirksamen Stellflächen mündende Steuerdruckleitungen geführt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerdruckleitungen (7, 8) mit den beiden eingangsseitigen Anschlüssen eines durch Druck betätigten Dreianschluß/Zweistellungsventiles (22) in Verbindung stehen und wechselweise mit der ausgangsseitig ange­ schlossenen Ablaßleitung (16) in Verbindung bringbar sind, wobei das Dreianschluß/Zweistellungsventil (22) zwei entgegengesetzt angeordnete Stellflächen aufweist, von denen jede mit einer der Leitungen (2, 3) zwischen Steuerventil und Verbraucher in Verbindung steht.
9. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (12) zwischen Druckmittelquelle und Steuerventil (4) angeordnet und das Wegeventil als Zweianschluß/Zweistellungsventil (15) mit Offen- und Schließstellung ausgebildet ist.
10. Hydraulisches Antriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (12) in einer der Leitungen (2, 3) zwischen Steuerventil (4) und Verbraucher angeordnet und das Wegeventil als Zwei­ anschluß/Dreistellungsventil (25) mit zwei Offen- und einer dazwischen liegenden Schließstellung ausgebildet ist.
11. Anwendung eines hydraulischen Antriebssystemes nach einem der vorangegangenen Ansprüche auf den Drehwerks­ antrieb eines Baggers.
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