DE4313597A1 - Verfahren zum Betreiben einer verstellbaren hydrostatischen Pumpe und dafür ausgebildetes hydrostatisches Antriebssystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer verstellbaren hydrostatischen Pumpe und dafür ausgebildetes hydrostatisches Antriebssystem

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer verstellbaren hydrostatischen Pumpe, bei dem die Öffnungsweite einer Drosselstelle in einer zu einem Verbraucher führenden Förderleitung verstellt, der Druckabfall an der Drosselstelle gemessen, einem Load-Sensing-Regler mitgeteilt und das Förder­ volumen der Pumpe von dem Load-Sensing-Regler auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der Förderdruck der Pumpe um einen systembedingten Differenzdruck größer ist als der Verbraucher­ druck, wobei der Differenzdruck steuerbar ist. Die Erfindung betrifft aber auch ein für das erfindungsgemäße Verfahren aus­ gebildetes hydrostatisches Antriebssystem mit einer verstell­ baren Pumpe und mindestens einem Verbraucher hydraulischer Energie, wobei in einer zu dem Verbraucher führenden Förder­ leitung eine verstellbare Drosselstelle angeordnet und ein das Fördervolumen der Pumpe bestimmender, zur Abbildung des Druck­ gefälles an der Drosselstelle ausgebildeter Load-Sensing- Regler vorgesehen ist.
Verstellbare hydrostatische Pumpen, die nach dem Load-Sensing- Prinzip arbeiten, werden bekanntermaßen im Mobilbereich (bei­ spielsweise in Baumaschinen) im offenen Kreis lauf eingesetzt und arbeiten mit einem fest eingestellten Differenzdruck delta p und einer willkürlich steuerbaren Öffnungsweite der Drossel. Die Öffnungsweite der Drossel, die als Teil eines Verbraucherventils ausgebildet ist, bestimmt dabei die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers.
Für langsame Bewegungen des Verbrauchers wird die Drosselstelle ganz wenig geöffnet. Zwischen der Drosselstelle und dem infolge Haftreibung zunächst stillstehendem Verbraucher baut sich ein Druck auf. Der Load-Sensing-Regler hält den Differenzdruck delta p konstant auf dem voreingestellten Wert und erhöht zu diesem Zweck die Fördermenge der Pumpe. Abhängig von der am Verbraucher wirkenden Haftreibung kann sich dabei die Förder­ menge auf einen Wert erhöhen, der weit größer ist als für die gewünschte Verbrauchergeschwindigkeit erforderlich. Fängt der Verbraucher an, sich zu bewegen, so kann es in diesem Betriebs­ punkt zu einem ungewollten Rucken des Verbrauchers kommen, dessen Bewegungsgeschwindigkeit beim Anfahren dann höher ist als eigentlich vorgegeben.
Für schnelle Bewegungen des Verbrauchers wird die Drossel weit aufgesteuert. Dabei bricht der voreingestellte Differenzdruck delta p tief ein. Dieses Verhalten ist erwünscht, weil dann die über der Drossel vernichtete Verlustleistung gerade bei großen Volumenströmen gering wird (anderenfalls ergäbe sich beispiels­ weise bei einem Betriebsdruck von 400 bar und einem Differenz­ druck delta p von 20 bar eine Verlustleistung von 5%). Aller­ dings ist dabei von Nachteil, daß der Regelbereich der Load- Sensing-Regelung verlassen wird.
Bei Einsatz einer verstellbaren hydrostatischen Pumpe im Industriebereich sind die Anforderungen anders. Hier werden keine Regelpumpen sondern Verstellpumpen eingesetzt, also Pumpen, bei denen einem bestimmten Steuerkommando stets ein definiertes Fördervolumen der Pumpe und damit eine bestimmte Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers zugeordnet ist. Hierzu ist bei Verstellpumpen eine Weg-Rückmeldung (bzw. eine Fördervolumen-Rückmeldung) und ein spezielles Ventilsystem zur Ansteuerung erforderlich. Bei Verwendung von Verstellpumpen fällt praktisch keine Verlustleistung an. Im industriellen Bereich sind die Verbraucherbewegungen überwiegend langsam. Lediglich zum schnellen Verfahren (beispielsweise einer hydraulischen Presse) ist eine höhere Verbrauchergeschwindig­ keit erwünscht. Der Einsatz einer nach dem Load-Sensing- Verfahren geregelten Pumpe im Industriebereich ist aus den oben genannten Gründen (kleine Verbrauchergeschwindigkeiten: → Rucken beim Anfahren; große Verbrauchergeschwindigkeiten: → Verlassen des Regelbereichs) praktisch nicht möglich.
Ein Pumpenhersteller, der sowohl den Mobilbereich als auch den Industriebereich beliefert, muß daher für die beiden Anwendungs­ fälle (Mobilbereich oder Industriebereich) verschiedene Pumpen gleicher Größe (Fördervolumen) bereithalten.
Bei einem gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieben einer ver­ stellbaren hydrostatischen Pumpe, das auch als Load-Sensing- Regelung mit Fine-Mode-Ansteuerung bezeichnet wird und aus der DE 38 05 061 A1 bekannt ist, kann ein Rucken bei langsamen Verbraucherbewegungen weitgehend verhindert werden. Hierbei wird durch ein Stauventil in einer Lastrückmeldeleitung der Differenzdruck, der auch als delta p bezeichnet wird, herab­ gesetzt. Infolgedessen verschiebt sich das Gleichgewicht am Load-Sensing-Regler in eine Richtung, bei der das Fördervolumen der Pumpe bei gleichbleibender Öffnungsweite der Drosselstelle verringert ist. Es ergibt sich daher eine vergrößerte Fein­ steuerbarkeit. Bei Ansteuerung des an die Pumpe angeschlossenen Verbrauchers über einen Handhebel, der die Öffnungsweite der Drosselstelle bestimmt, läßt sich beispielsweise bei entspre­ chender Auslegung des Stauventils die halbe Fördermittelmenge über den ganzen Stellweg des Handhebels steuern.
Durch die Fine-Mode-Ansteuerung ist also bei herabgesetztem Differenzdruck delta p der Volumenstrom zum Verbraucher geringer, so daß bei gleicher Öffnungsweite an der Drossel weniger Bewegung am Verbraucher entsteht.
Es ergibt sich jedoch bei Load-Sensing-geregelten Pumpen bei schnellen Verbraucherbewegungen (ausgeschaltete Fine-Mode- Ansteuerung) noch der bereits erwähnte Nachteil, daß beim Einbruch des Differenzdrucks delta p die Load-Sensing-Regelung, also die eigentliche Volumenstrom-Regelung, nicht mehr funktioniert. Die Verbrauchergeschwindigkeit ist in dem Fall ohne Ausregelung von Störgrößen, denn die Pumpe bleibt ständig auf maximales Fördervolumen ausgesteuert. Das bedeutet, daß schwankende Antriebsdrehzahlen zu einer schwankenden Volumen­ stromförderung und damit zu schwankenden Bewegungsgeschwin­ digkeiten des Verbrauchers führen. Dies steht einem Einsatz einer hydrostatischen Pumpe mit Load-Sensing-Regelung im Industriebereich entgegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. ein gattungsgemäßes hydro­ statisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem eine gute Feinsteuerung für langsame Verbrauchergeschwindig­ keiten und eine Beibehaltung der Load-Sensing-Regelung auch bei großen Verbrauchergeschwindigkeiten und gleichzeitig geringer Verlustleistung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers als Sollwert vorgegeben wird und davon abhängig der Differenzdruck und die Öffnungsweite der Drosselstelle kombiniert gesteuert werden, wobei ein bestimmter Differenzdruck und eine bestimmte Öffnungsweite derart automatisch einander zugeordnet werden, daß bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit eine gute Fein­ steuerung und bei großer Bewegungsgeschwindigkeit eine geringe Verlustleistung erreicht wird. Hierbei wird im Prinzip eine spezielle Fine-Mode-Ansteuerung mit einer gleichzeitig wirken­ den Steuerung dem Verbraucherventils (also einer Steuerung der Öffnungsweite der im Verbraucherventil angeordneten Drossel­ stelle) kombiniert. Der Differenzdruck delta p und die Öffnungs­ weite der Drosselstelle sind dabei stets so aufeinander abge­ stimmt, daß einerseits eine extreme Feinsteuerbarkeit des Verbrauchers erreicht wird und andererseits selbst bei großen Verbrauchergeschwindigkeiten die Load-Sensing-Regelung nicht zusammenbricht obwohl die Verlustleistung gering gehalten wird. Im Feinsteuerbereich ist der Differenzdruck delta p groß und die Öffnungsweite der Drosselstelle klein. Bei großen Ver­ brauchergeschwindigkeiten ist der Differenzdruck delta p klein und die Öffnungsweite der Drosselstelle groß. Auf diese Weise ist eine an sich als Load-Sensing-Regelpumpe ausgebildet Pumpe wie eine Verstellpumpe nutzbar. Hinsichtlich der Funktion ist kein Nachteil gegenüber einer Verstellpumpe vorhanden. Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Pumpe benötigt keine Weg- bzw. Fördervolumen-Rückmeldung sowie kein speziell für eine Verstellpumpe ausgebildetes Ventilsystem. Hierdurch kann ein- und dieselbe Pumpe sowohl im Mobilbereich als auch im Industriebereich eingesetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Sollwert der Verbrauchergeschwindigkeit einer elektronischen Baueinheit mitgeteilt und die Öffnungs­ weite der Drosselstelle sowie der Differenzdruck am Load- Sensing-Regler von Signalen aus der elektronischen Baueinheit gesteuert werden. Die Ausgestaltung als elektronische Steuerung ermöglicht auf einfache Weise eine wechselweise Zuordnung von Differenzdruck delta p und Öffnungsweite der Drosselstelle, je nach Arbeitspunkt. In der elektronischen Baueinheit sind zu diesem Zweck Steuerkennlinien gespeichert, die die Zuordnung der beiden Parameter Differenzdruck delta p und Öffnungsweite der Drosselstelle enthalten, so daß je nach vorhandenem Soll­ wert der Verbrauchergeschwindigkeit eine bestimmte Steuer­ kennlinie vorgegeben wird.
Im Hinblick auf eine kostengünstige Realisierung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist es gemäß einer anderen Variante von Vorteil, wenn die Drosselstelle von Hand betätigt und die Öffnungsweite der Drosselstelle von einem Sensor erfaßt und einer elektronischen Baueinheit mitgeteilt wird und wenn der Differenzdruck am Load-Sensing-Regler von Signalen aus der elektronischen Baueinheit gesteuert wird. Der Sensor kann in der einfachsten Form auch als Schalter ausgebildet sein, der nur noch mitteilt, ob eine große oder eine kleine Öffnungsweite der Drosselstelle vorgegeben ist.
Bei einem gattungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß der Differenzdruck und die Öffnungsweite der Drosselstelle in Abhängigkeit von der als Sollwert vorzugebenden Bewegungs­ geschwindigkeit des Verbrauchers kombiniert steuerbar sind, wobei ein bestimmter Differenzdruck und eine bestimmte Öffnungs­ weite derart automatisch einander zuordenbar sind, daß bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit eine gute Feinsteuerung und bei großer Bewegungsgeschwindigkeit eine geringe Verlust­ leistung erreichbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine die Öffnungsweite der Drosselstelle sowie den Differenzdruck am Load-Sensing-Regler steuernde elektronische Baueinheit vorge­ sehen ist, die mit einem Sollwertgeber für die Verbraucher­ geschwindigkeit in Verbindung steht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Variante der Erfindung ist es auch möglich, daß die Drosselstelle von Hand betätigbar und ein Sensor für die Öffnungsweite der Drosselstelle vorgesehen ist, der mit einer den Differenzdruck am Load-Sensing-Regler steuernden elektronischen Baueinheit in Verbindung steht.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schaltplan zu einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem;
Fig. 2 ein Diagramm zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das in Fig. 1 dargestellte hydrostatische Antriebssystem weist eine verstellbare Pumpe 1 auf, an deren Förderleitung 2 ein in diesem Beispiel als Motor ausgebildeter Verbraucher 3 hydrau­ lischer Energie angeschlossen ist.
Eine innerhalb eines Verbraucherdrosselventils angeordnete Drosselstelle 4 regelt den Zustrom von Druckmittel zu dem Verbraucher 3. Die Öffnungsweite der Drosselstelle 4 wird mit Hilfe eines Magneten 5 eingestellt. Der Druck stromauf der Drosselstelle 4 und der Druck stromab der Drosselstelle 4 werden über Leitungen 6 und 7, die von der Förderleitung 2 abgezweigt sind, einem Load-Sensing-Regler 8 mitgeteilt, der mit einem Stellkolbensystem 9 in Wirkverbindung steht, welches die Fördervolumeneinstellung der Pumpe 1 bestimmt. Der Load- Sensing-Regler 8 regelt über das Stellkolbensystem 9 ein konstantes Druckgefälle an der Drosselstelle 4. Hierzu wird das Fördervolumen der Pumpe 1 immer so eingestellt, daß der Druck stromauf der Drosselstelle 4 (Förderdruck) um einen bestimmten Differenzdruck delta p größer ist als der Druck stromab der Drosselstelle 4 (Verbraucherdruck). Der Differenzdruck delta p wird von der Kraft einer am Load-Sensing-Regler 8 wirkenden Feder 10 und von einem Magnet 11 bestimmt, mit dem der durch die Feder 10 vorgegebene Sollwert des Differenzdrucks delta p variiert werden kann.
Sowohl der Magnet 5 der Drosselstelle 4 als auch der Magnet 11 des Load-Sensing-Reglers 8 sind an eine elektronische Bauein­ heit 12 angeschlossen. Eingangsseitig steht die elektronische Baueinheit 12 mit einem als Potentiometer ausgebildeten Soll­ wertgeber 13 für die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers 3 in Verbindung.
In der elektronischen Baueinheit 12 findet in Abhängigkeit von der am Sollwertgeber 13 eingestellten Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers 3 eine automatische Zuordnung des vom Load- Sensing-Reglers 8 erzeugten Differenzdrucks delta p und der Öffnungsweite der Drosselstelle 4 derart statt, daß sowohl eine gute Feinsteuerung im Bereich von langsamen Verbraucher­ geschwindigkeiten als auch eine geringe Verlustleistung bei schnellen Verbraucherbewegungen erreicht wird, wobei der Regelbereich nicht verlassen wird.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm zur Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf der Abszisse der Differenzdruck delta p und auf der Ordinate der Durchfluß q durch die Drosselstelle 4 aufgetragen. Vier Kennlinien K₁-K₄, von denen jede einer bestimmten Öffnungsweite der Drossel­ stelle 4 entspricht, zeigen jeweils den Zusammenhang zwischen dem Durchfluß durch die Drosselstelle 4 und dem Differenzdruck delta p bei einer bestimmten Öffnungsweite. Hierbei ist die Öffnungsweite der Drosselstelle 4 gemäß der Kennlinie K₁ auf einen kleinen Wert und die Öffnungsweite gemäß der Kennlinie K₄ auf einen großen Wert eingestellt. Die Kennlinien K₂ und K₃ entsprechen Zwischenwerten.
Erfindungsgemäß werden nun sowohl der Differenzdruck delta p als auch die Öffnungsweite der Drosselstelle 4 kombiniert gesteuert, wobei der Differenzdruck delta p und die Öffnungs­ weite der Drosselstelle 4 einander automatisch zugeordnet werden, beispielsweise gemäß der gestrichelt dargestellten Steuerkennlinie S. Für langsame Verbraucherbewegungen wird demnach ein großer Differenzdruck delta p einer kleinen Öffnungsweite der Drosselstelle 4 zugeordnet, um eine gute Feinsteuerbarkeit zu erhalten. Da in diesem Betriebsbereich der Durchfluß q durch die Drosselstelle 4 gering ist, bleibt auch die Verlustleistung trotz hohem Differenzdruck delta p gering. Bei großen Verbrauchergeschwindigkeiten wird gemäß der Steuer­ kennlinie S einem kleinen Differenzdruck delta p eine große Öffnungsweite der Drosselstelle 4 zugeordnet. Dadurch bleibt die Regelbarkeit erhalten und die Verlustleistung gering.
Die Drosselstelle 4 kann auch von Hand betätigbar sein, was kostengünstiger ist. In diesem Fall wird die von Hand ein­ gestellte Öffnungsweite der Drosselstelle 4 durch einen Sensor erfaßt, der diese Information der elektronischen Baueinheit 12 mitteilt, damit die entsprechende Zuordnung von Öffnungsweite und Differenzdruck delta p angesteuert werden kann. Der Sensor kann auch als Schalter ausgebildet sein, der nur noch mitteilt, ob eine große oder eine kleine Öffnungsweite vorgegeben ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer verstellbaren hydro­ statischen Pumpe, bei dem die Öffnungsweite einer Drosselstelle in einer zu einem Verbraucher führenden Förderleitung verstellt, der Druckabfall an der Drossel­ stelle gemessen, einem Load-Sensing-Regler mitgeteilt und das Fördervolumen der Pumpe von dem Load-Sensing-Regler auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der Förderdruck der Pumpe um einen systembedingten Differenzdruck größer ist als der Verbraucherdruck, wobei der Differenzdruck steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers (3) als Sollwert vorgegeben wird und davon abhängig der Differenzdruck (delta p) und die Öffnungsweite der Drosselstelle (4) kombiniert gesteuert werden, wobei ein bestimmter Differenzdruck (delta p) und eine bestimmte Öffnungsweite derart automatisch einander zugeordnet werden, daß bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit eine gute Feinsteuerung und bei großer Bewegungsgeschwindigkeit eine geringe Verlustleistung erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Verbrauchergeschwindigkeit einer elektronischen Baueinheit (12) mitgeteilt und die Öffnungs­ weite der Drosselstelle (4) sowie der Differenzdruck (delta p) am Load-Sensing-Regler (8) von Signalen aus der elektronischen Baueinheit (12) gesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (4) von Hand betätigt und die Öffnungs­ weite der Drosselstelle (4) von einem Sensor erfaßt und einer elektronischen Baueinheit (12) mitgeteilt wird und daß der Differenzdruck (delta p) am Load-Sensing-Regler (8) von Signalen aus der elektronischen Baueinheit (12) gesteuert wird.
4. Hydrostatisches Antriebssystem mit einer verstellbaren Pumpe und mindestens einem Verbraucher hydraulischer Energie, wobei in einer zu dem Verbraucher führenden Förderleitung eine verstellbare Drosselstelle angeordnet und ein das Fördervolumen der Pumpe bestimmender, zur Abbildung des Druckgefälles an der Drosselstelle ausge­ bildeter Load-Sensing-Regler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruck (delta p) und die Öffnungsweite der Drosselstelle (4) in Abhängigkeit von der als Sollwert vorzugebenden Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers (3) kombiniert steuerbar sind, wobei ein bestimmter Differenzdruck (delta p) und eine bestimmte Öffnungsweite derart automatisch einander zuordenbar sind, daß bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit eine gute Feinsteuerung und bei großer Bewegungsgeschwindigkeit eine geringe Verlustleistung erreichbar ist.
5. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Öffnungsweite der Drossel­ stelle (4) sowie den Differenzdruck (delta p) am Load- Sensing-Regler (8) steuernde elektronische Baueinheit (12) vorgesehen ist, die mit einem Sollwertgeber (13) für die Verbrauchergeschwindigkeit in Verbindung steht.
6. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (4) von Hand betätigbar und ein Sensor für die Öffnungsweite der Drosselstelle (4) vorgesehen ist, der mit einer den Differenzdruck (delta p) am Load-Sensing-Regler (8) steuernden elektronischen Baueinheit (12) in Verbindung.
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