DE4124140A1 - Elektro-hydraulische stelleinheit sowie verfahren zur betaetigung derselben - Google Patents

Elektro-hydraulische stelleinheit sowie verfahren zur betaetigung derselben

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesonde­ re zur Steuerung von Baumaschinen, mit einem verschiebbaren Hauptkolben, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer vorgesehen ist, die über elektro-magnetisch betätigbare Steuermittel mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar sind.
Durch die DE-OS 35 27 026 ist eine gattungsbildende elektro-hydraulische Stelleinheit bekannt, die ein verschiebbares kolbenartiges Teil, insbeson­ dere einen Steuerschieber aufweist, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer angeordnet ist, die über Steuermittel zwecks Verschieben des Teiles mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar ist. Das Steuermit­ tel ist ein jeder Steuerkammer zugeordnetes, elektro-magnetisch betätigba­ res Steuerventil, das über eine mechanische Rückführung auf das Steuerven­ til einwirkt. Die mechanische Rückführung ist hierbei als Feder ausgebil­ det, die sich jeweils an den einander zugewandten Stirnseiten von ver­ schiebbarem Teil und Steuerventil abstützt. Für den kolbenartigen Teil sind weitere Zentrierfedern vorgesehen. Durch diese Stelleinheit soll eine Rückführung zur Lageregelung des verschiebbaren Teiles erzielt wer­ den, wobei die Einstellung besonders genau sein soll. Die Steuerventile sind hierbei als 3/2-Wegeventile ausgebildet.
Nachteilig ist an dieser Stelleinheit festzustellen, daß aufgrund der Wechselwirkung von Magnetkraft und Federkraft am Ventil ein Druck einge­ stellt wird (nach dem Stromteilerprinzip), der über die Fläche des ver­ schiebbaren Teiles als Verstellkraft wirkt. Daraus folgt, daß bei konstan­ ter proportional er Magnetkraft der Steuerdruck nur noch in Abhängigkeit der Kolbenschieberstellung eingestellt wird, d. h. es gibt bei einer Schieberstellung nur genau einen Einstellwert. Da aber die auftretenden Störgrößen, welche den Kolbenschieber verstellen in großer Bandbreite auftreten, muß bei konstanter Magnetkraft auch der Steuerdruck in großer Bandbreite einstellbar sein, um den Kolben lagegeregelt positionieren zu können. Darüber hinaus weist diese Stelleinheit einen schlechten Wirkungs­ grad auf, da der Steuerölvolumenstrombedarf hoch ist aufgrund der Strom­ teilerfunktion zur Steuerdruckerzeugung. Ferner ist ein hoher Steuerdruck­ bedarf vonnöten, da der Hauptkolben gegen eine Feder verstellt wird.
Infolge des ständig anstehenden Druckes ist mit hohen Leistungsverlusten durch das umlaufende Öl zu rechnen.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist die Weiterbildung der im gattungsbil­ denden Teil des ersten Patentanspruches beschriebenen elektro-hydrauli­ schen Steuereinheit dahingehend, daß ein geschlossener Lageregelkreis gebildet wird, der auch bei auftretenden Störgrößen, wie Strömungskräf­ ten, Druckänderungen und dgl. bei hoher Einstellgenauigkeit bzw. Reprodu­ zierbarkeit von Position und Geschwindigkeit der zu steuernden Bauteile aufrecht erhalten werden kann.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch ein einziges mittels zweier Elektro-Magnete betätigbares Steuermittel in Form eines Vorsteuer­ ventils, das mit dem Hauptkolben im wesentlichen in Reihe angeordnet ist sowie mindestens einen Weg-Kraft-Wandler, der in Wirkverbindung mit dem Hauptkolben und dem Kolben des Vorsteuerventils steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den gegen­ ständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Verfahren zum Betätigen der elektro-hydraulischen Stelleinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Betätigen eines der Elektro-Magnete über das Vorsteuerventil Steueröl in die zugehörige Steuerkammer fließt und der Hauptkolben in die entsprechende Richtung bewegt wird, wobei der Hauptkolben solange verstellt wird, bis die Federkraft des Weg-Kraft- Wandlers und die magnetische Kraft im Gleichgewicht sind und der Kolben des Vorsteuerventils über den Weg-Kraft-Wandler durch den Hauptkolben geschlossen wird.
Gegenüber dem St.d.T. werden durch den Erfindungsgegenstand folgende Vorteile erzielt:
  • - hohe Stellgenauigkeit von Hydrauliksystemen bei robuster, unempfindli­ cher Ausführung des Regelkreises
  • - Optimierung des Energiehaushaltes
  • - Verwendung geringerer Anzahl von Steuermitteln
  • - kein Ölumlauf im ausgeregelten Zustand
  • - störgrößenunabhängige Positioniergenauigkeit des Hauptkolbens
  • - Erhöhung der Feinsteuerbarkeit.
Der Einsatzbereich des Erfindungsgegenstandes betrifft im wesentlichen die Ansteuerung von Hydro-Zylindern und Hydro-Motoren im stationären Industriebereich, wobei ein bevorzugtes Anwendungsgebiet durch den mobi­ len Baumaschinenbereich gebildet wird.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild,
Fig. 2 Prinzipskizze der Anordnung bzw. Verknüpfung der erfindungs­ gemäßen Stelleinheit.
In Fig. 1 ist anhand eines Blockschaltbildes der geschlossene Regelkreis dargestellt. Die eingefügten Buchstaben werden nachstehend aufgelistet:
s = Weg des Hauptkolbens
A = Additionsstelle Magnet + Feder
FStör = Störkräfte auf den Hauptkolben
FSt = Stellkräfte
pSt = Steuerdruck
F = Kraftdifferenz am Steuerkolben
FR = Kraft der Regelfeder
FI = Kraft des Proportionalmagneten
Die Funktion des Lageregelkreises stellt sich wie folgt dar: der Sollwert wird über den Wandler I/FI auf die Additionsstelle A in physikalischer Form der Kraft FI geführt und wird mit der Kraft FR des Wandlers s/FR verrechnet. Ergibt sich aus dieser Rechnung eine Regeldiffe­ renz, so wird über den Wandler F/pSt und den Wandler pSt/FSt der Kolben verstellt, so daß dieser einen Weg s zurücklegt, bis der Wandler s/FR eine Kraft eingestellt hat, welche die gleiche absolute Größe besitzt, wie die des Wandlers I/FI, was aufgrund der verschiedenen Vorzeichen der Kräfte FI und FR als Ergebnis die Kraft F=0 ergibt und somit der Kolben lagegeregelt positioniert ist.
Wirken Kräfte FStör auf den Kolben ein, so legt dieser den Weg s zurück und verändert über den Wandler s/FR die Werte an der Additionsstelle A in der Form, daß über die Wandler F/pSt und pSt/FSt eine Kraft erzeugt wird, welche der Kraft FStör in gleicher absoluter Größe entgegenwirkt, bis der Kolben wieder positioniert ist.
Anhand des Blockschaltbildes wird klar, daß unabhängig von den Störgrößen (FStör) der Stellweg des Kolbens lagegeregelt nachgeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt als Prinzipskizze die erfindungsgemäße elektro-hydraulische Stelleinheit, die im wesentlichen folgende Bauteile beinhaltet: einen innerhalb eines Gehäuses 1 in Längsrichtung bewegbaren Hauptkolben 2, ein Vorsteuerventil 3 samt Kolben 4, Elektro-Magnete 5, 6 sowie eine Spiralfeder 7 (kann auch eine andersgeartete Feder sein) als Weg-Kraft- Wandler. Das Vorsteuerventil 3 ist ein wege-proportionales 4/3-Ventil. Durch die elektronische Ansteuerung beispielsweise des Magneten 6 öffnet das Ventil 3 die Verbindung P nach A und B nach T. Hierbei bewegt der Kolben 4 sich in Richtung des Hauptkolbens 2 und das Steueröl fließt in die Steuerkammer 8 und bewegt den Hauptkolben 2 in Richtung des Kolbens 4. Der Hauptkolben 2 ist über die als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder 7 mit dem Kolben 4 des Vorsteuerventils 3 verbunden, dergestalt, daß sie an den einander zugewandten Stirnseiten 9, 10 der beiden Kolben 2, 4 befe­ stigt ist. Der Hauptkolben 2 wird solange verstellt, bis sich die Druckfe­ der 7 aufgrund ihrer Kennlinie so eingestellt hat, daß die Federkraft der Druckfeder 7 und die magnetische Kraft des Magneten 6 im Gleichgewicht befinden. Dies bedeutet, daß der Hauptkolben 2 über die Druckfeder 7 den Kolben 4 des Vorsteuerventils 3 schließt. Jede positive oder negative Positionsabweichung des Hauptkolbens 2 bedingt ein Kräfteungleichgewicht zwischen Druckfeder 7 und elektronischer Magnetkraft, so daß der Kolben 4 in Regelstellung geht, bis der Hauptkolben 2 wieder positioniert ist.
Der gleiche Vorgang funktioniert in umgekehrter Weise, indem der Elektro- Magnet 5 betätigt wird und die Verbindung P nach B sowie A nach T herge­ stellt wird, was zu eine Druckerhöhung in der Steuerkammer 11 mit entspre­ chender Verschiebung des Hauptkolbens 2 führt.

Claims (8)

1. Elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen, mit einem verschiebbaren Hauptkolben, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer vorgesehen ist, die über elektro­ magnetisch betätigbare Steuermittel mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar sind, gekennzeichnet durch ein einziges mittels zwei­ er Elektro-Magnete (5, 6) betätigbares Steuermittel (3) in Form eines Vorsteuerventils, das mit dem Hauptkolben (2) im wesentlichen in Reihe angeordnet ist, sowie mindestens einen Weg-Kraft-Wandler (7), der in Wirkverbindung mit dem Hauptkolben (2) und dem Kolben (4) des Vorsteuerventils (3) steht.
2. Stelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg- Kraft-Wandler (7) mit den einander zugewandten Stirnseiten (9, 10) des Hauptkolbens (2) sowie des Kolbens (4) des Vorsteuerventils (3) ver­ bunden ist.
3. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg-Kraft-Wandler (7) als Spiralfeder ausgebildet ist.
4. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfeder (7) eine Druckfeder ist.
5. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfeder (7) eine kombinierte Druck-/Zugfeder ist.
6. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg-Kraft-Wandler als Tellerfeder ausgebildet ist.
7. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (3) ein wegeproportionales 4/3-Ventil ist.
8. Verfahren zum Betätigen der elektro-hydraulischen Stelleinheit nach den Ansprüche 1 bis 7, indem durch die Ansteuerung eines Elektro-Mag­ netes der Kolben des Vorsteuerventils eine vorgegebene Position ein­ nimmt und durch Druckänderung im Bereich der jeweiligen Steuerkammer der Hauptkolben bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Betäti­ gen eines der Elektro-Magnete (5 oder 6) über das Vorsteuerventil (3) Steueröl in die zugehörige Steuerkammer (8 oder 9) fließt und der Hauptkolben (2) In die entsprechende Richtung (s) bewegt wird, wobei der Hauptkolben (2) solange verstellt wird, bis die Federkraft des Weg-Kraft-Wandlers (7) und die magnetische Kraft im Gleichgewicht sind und der Kolben (4) des Vorsteuerventils (3) über den Weg-Kraft- Wandler (7) durch den Hauptkolben (2) geschlossen wird.
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