DE4437894A1 - Vorsteuerung für ein hydraulisch betätigbares Hauptsteuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorsteuerung für ein hydraulisch be­ tätigbares Hauptsteuerventil, die ein verstellbares Vorsteuer­ ventil mit einem Steuerausgang umfaßt, an dem ein durch ein Ein­ gangssignal vorgebbarer Vorsteuerdruck ansteht, mit dem eine Steuerkammer des Hauptsteuerventils beaufschlagbar ist.

Es ist bekannt, bei Baumaschinen, wie z. B. Baggern oder Kränen, an Vorsteuergeräte, die insbesondere auf der Basis von direktge­ steuerten Druckreduzierventilen arbeiten, manuell veränderbare Eingangssignale zu legen, die von den Vorsteuergeräten in Vor­ steuerdrücke umgesetzt werden, deren Höhe vom Eingangssignal ab­ hängt. Vom jeweiligen Vorsteuerdruck wird ein Steuerschieber im Hauptsteuerventil beaufschlagt und gegen die Kraft einer oder mehrerer Rückstellfedern soweit verstellt, bis ein Gleichgewicht zwischen der Druckkraft und der Federkraft besteht. In Abhängig­ keit vom Vorsteuerdruck und damit vom Hub des Steuerschiebers wird ein Steuerquerschnitt im Hauptsteuerventil verschieden weit geöffnet. Im Falle einer Steuerung mit Volumenstromregelung (Load-sensing-Steuerung) wird das Druckgefälle über den Öff­ nungsquerschnitt des Hauptsteuerventils durch Regelung einer Verstellpumpe konstant gehalten. Es besteht dann ein fester, lastunabhängiger Zusammenhang zwischen dem manuell vorgegebenen Eingangssignal und der Geschwindigkeit der Arbeitsbewegung. Der Geschwindigkeitsbereich der Arbeitsbewegung entspricht dem ma­ nuellen Hebelweg am Vorsteuergerät.

Bei modernen Baumaschinen werden sowohl gute Feinsteuerbarkeit als auch hohe Arbeitsgeschwindigkeiten gefordert. Da aus ergono­ mischen Gründen der Hebelweg am Vorsteuergerät begrenzt ist, wird die Feinsteuerbarkeit um so geringer, je höher die maximale Arbeitsgeschwindigkeit sein soll. Durch einen progressiven Ver­ lauf der Kennlinien sowohl des Vorsteuergerätes als auch des Öffnungsquerschnittes im Hauptventil wird zwar die Feinsteuer­ barkeit im Bereich kleiner Geschwindigkeiten verbessert, die Steuerbarkeit im Bereich größerer Geschwindigkeiten verschlech­ tert sich jedoch.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorsteuerung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß die Steuerbarkeit einer Arbeitsbewegung im Bereich kleiner Ge­ schwindigkeiten verbessert wird, wobei auch im Bereich größerer Geschwindigkeiten eine gute Steuerbarkeit möglich sein soll.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Vorsteuerung er­ reicht, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist und bei der gemäß dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 der in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils anste­ hende Vorsteuerdruck auf einen gegenüber dem am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdruck kleineren Wert reduzierbar ist. Bei einer erfindungsgemäßen Vorsteuerung ist es also ebenso wie bei bisher bekannten Vorsteuerungen möglich, eine Steuerkammer des Hauptsteuerventils mit dem am Steueraus­ gang des Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdruck zu beauf­ schlagen. Für große Geschwindigkeiten der Arbeitsbewegung ändert sich somit gegenüber bekannten Vorsteuerungen nichts. Die Steu­ erkammer des Hauptsteuerventils kann jedoch auch mit einem Vor­ steuerdruck beaufschlagt werden, der gegenüber dem am Steueraus­ gang des Vorsteuerventils anstehenden Druck reduziert ist. Der gesamte Hebelweg am Vorsteuergerät entspricht dann einem kleine­ ren Bereich des Steueröffnungsquerschnittes im Hauptventil und somit einem kleineren Geschwindigkeitsbereich der Arbeitsbewe­ gung. In diesem Geschwindigkeitsbereich ist dann eine sehr fein­ fühlige Steuerung möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorsteue­ rung kann man den Unteransprüchen entnehmen.

Vorteilhafterweise ist, um den Aufwand zu begrenzen, der in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils anstehende Vorsteuerdruck unter Berücksichtigung eines eventuellen, für den Verstellbeginn eines Steuerglieds des Hauptsteuerventils notwendigen Mindest­ vorsteuerdruckes in einem festen Verhältnis gegenüber dem am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdruck reduzierbar.

Zur Reduzierung kann z. B. ein Druckverhältnisventil verwendet werden, das parallel zu einem Wegeventil geschaltet ist. Ist das Wegeventil geschlossen, so ist das Druckverhältnisventil wirk­ sam. Ist das Wegeventil offen, so bleibt das Druckverhältnisven­ til ohne Einfluß.

Kostengünstiger erscheint es jedoch, eine Reduzierung des am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdrucks gemäß Anspruch 3 durch einen Druckteiler zu ermöglichen, der zwei Drosseln aufweist, zwischen denen der reduzierte Vorsteuer­ druck abgreifbar ist und von denen eine erste Drossel in einem zwischen dem Abgriffspunkt und dem Steuerausgang des Vorsteuer­ ventils liegenden, ersten Druckteilerzweig und eine zweite Dros­ sel in einem zwischen dem Abgriffspunkt und einem Tank liegen­ den, zweiten Druckteilerzweig angeordnet ist. Bevorzugt wird von der normalen Vorsteuerung, während der der am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehende Druck auch in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils ansteht, zur Feinsteuerung, bei der der Vor­ steuerdruck in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils gegenüber dem Vorsteuerdruck am Steuerausgang des Vorsteuerventils redu­ ziert ist, dadurch übergegangen, daß ein Steuerölfluß durch die zweite Drossel ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise ist dazu gemäß Anspruch 4 im zweiten Druckteilerzweig in Reihe zu der zweiten Drossel ein Schaltventil mit einer Sperrstellung und einer Durchgangsstellung angeordnet. Befindet sich dieses Schaltventil in der Sperrstellung, so kann kein Steueröl über die zweite Drossel zum Tank abfließen. Zumindest wenn am Steuerglied des Hauptsteuerventils Kräftegleichgewicht besteht und das Steuer­ glied in Ruhe ist, entspricht dann der in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils herrschende Druck dem Druck am Steuerausgang des Vorsteuerventils. Dabei sei ein kleiner, durch Leckage über das Hauptsteuerventil verursachter Ölfluß, der einen kleinen Druckabfall über die erste Drossel verursacht, nicht weiter be­ rücksichtigt.

Üblicherweise sind in mobilen Arbeitsgeräten mehrere Vorsteuer­ ventile vorhanden, um mehrere hydraulische Verbraucher einzeln ansteuern zu können. Gemäß Anspruch 6 ist diesen mehreren Vor­ steuerventilen jeweils ein Druckteiler zugeordnet. Es sind also mehrere Druckteiler vorhanden. Kostengünstig ist es nun, wenn die zweiten Drosseln der mehreren Druckteiler über jeweils ein Rückschlagventil gemeinsam an ein tankseitig von ihnen angeord­ netes Schaltventil angeschlossen sind, wobei die Rückschlagven­ tile zum Schaltventil hin öffnen. Es ist also nur ein Schaltven­ til für mehrere Vorsteuerventile und mehrere Druckteiler vorhan­ den. Die Rückschlagventile gewährleisten, daß kein Steueröl über die zweiten Drosseln abfließt, daß also jeder hydraulische Ver­ braucher einzeln angesteuert werden kann und der Druck in einer Steuerkammer dem Vorsteuerdruck am Steuerausgang eines Vorsteu­ erventils entspricht.

Der Steuerschieber eines Hauptsteuerventils wird normalerweise durch eine oder mehrere Rückstellfedern in einer Ruhelage gehal­ ten, in der den Rückstellfedern noch eine Vorspannung zu eigen ist. Es ist deshalb ein Mindestvorsteuerdruck notwendig, um eine Bewegung des Steuerschiebers einzuleiten. Dieser Mindeststeuer­ druck macht sich in einem Totweg am manuell betätigbaren Vor­ steuerhebel bemerkbar, der erst mit dem Hebel zurückgelegt wer­ den muß, bis eine Arbeitsbewegung stattfindet. Mit einem Druck­ begrenzungsventil gemäß Anspruch 7 kann der Totbereich in der Betriebsart "Feinsteuerung" genau so groß wie in der normalen Betriebsart gemacht werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorsteuerung ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei hydraulische Vorsteuergeräte 10 er­ kennbar, die beide auf der Basis von direktgesteuerten Druckre­ duzierventilen II arbeiten, von denen eines symbolhaft in jedes Vorsteuergerät eingezeichnet ist. Jedes Vorsteuergerät besitzt insgesamt vier Vorsteuerventile 11 und entsprechend 4 Steueraus­ gänge 12. Über einen Vorsteuerhebel 13, der aus einer Mittel­ stellung heraus, in der an allen Steuerausgängen 12 eines Vor­ steuergeräts 10 Tankdruck ansteht, nach vier Richtungen ausge­ lenkt werden kann, können die Vorsteuerventile 11 verstellt wer­ den. Je nach Hebelauslenkung regeln sie am entsprechenden Steu­ erausgang 12 einen bestimmten Vorsteuerdruck ein. Vorsteuerge­ räte der beschriebenen Art sind allgemein bekannt und z. B. im Datenblatt RD 64 555/03.89 der Fa. Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr/Main, ausführlich dargestellt, so daß nähere Ausführungen dazu nicht notwendig erscheinen.

Mit den Vorsteuergeräten 10 werden die Steuerschieber 14 mehre­ rer Hauptsteuerventile 15 angesteuert, von denen eines in der Zeichnung dargestellt ist. In diesem Hauptsteuerventil 15 befin­ det sich an jedem Ende des Steuerschiebers 14 eine Steuerkammer 16 bzw. 17 mit einem Steueranschluß 18. Die Steuerkammer 16 ist größer als die Steuerkammer 17 und nimmt zwei vorgespannte Rück­ stellfedern 19 und 20 auf, die koaxial zueinander angeordnet sind und den Steuerschieber 14 in einer Mittelstellung zentrie­ ren, aus der er gegen die Kraft der Rückstellfedern 19 und 20 nach entgegengesetzten Richtungen verschoben werden kann.

Das Hauptsteuerventil besitzt zwei Verbraucheranschlüsse 25 und 26, an die zwei zu einem Hydrozylinder 27 führende Arbeitslei­ tungen 28 bzw. 29 angeschlossen sind. In der Mittelstellung des Steuerschiebers 14 mögen die beiden Arbeitsanschlüsse 25 und 26 abgesperrt sein. Bei einer Auslenkung des Steuerschiebers 14 aus der Mittelstellung wird der eine Arbeitsanschluß über einen von der Größe der Auslenkung abhängigen Öffnungsquerschnitt mit ei­ ner Druckquelle und der andere Arbeitsanschluß mit einem Tank verbunden.

Zu jedem Steueranschluß 18 der Hauptventile 15 führt eine Steu­ erleitung 30, mit der ein zwischen einer ersten Festdrossel 31 und einer zweiten Festdrossel 32 eines Druckteilers herrschende Vorsteuerdruck abgreifbar ist. Die erste Festdrossel 31 ist zwi­ schen dem Abgriffspunkt 33 und einem Steuerausgang 12 eines Vor­ steuerventils 11 angeordnet. In Serie zu jeder Festdrossel 32 liegt ein Rückschlagventil 34, das zu einer allen Festdrosseln 32 gemeinsamen Sammelleitung 35 hin öffnet. Ein Wegeventil 40 besitzt eine Ruhestellung, in der es die Sammelleitung 35 ab­ sperrt. Es kann von einem Elektromagneten 41 in eine Schaltstel­ lung gebracht werden, in der die Sammelleitung 35 über das Wege­ ventil 40 mit dem Eingang eines Druckbegrenzungsventils 42 ver­ bunden ist, dessen Ausgang zu einer Tank 43 entlastet ist. Das Druckbegrenzungsventil 42 ist auf einen Druck eingestellt, der dem Mindestvorsteuerdruck entspricht, ab dem eine Bewegung des Steuerschiebers 14 eines Hauptsteuerventils 15 erfolgt.

Der Elektromagnet 41 ist über eine Steuerleitung 44 mit einem nicht näher dargestellten, in einem der beiden Vorsteuergeräte 10 untergebrachten elektrischen Schalter verbunden, der über einen Druckknopf 45 im Vorsteuerhebel 13 betätigt werden kann. Solange der Druckknopf 45 niedergedrückt ist, ist der Elektroma­ gnet 41 erregt, so daß der Durchgang-durch das Wegeventil 40 of­ fen ist. Beim Loslassen des Druckknopfes 45 fällt das Wegeventil 40 in seine Ruhestellung zurück. Ebenso kann es sich jedoch bei dem elektrischen Schalter um einen bistabilen Schalter handeln, der bei jedem Niederdrücken des Druckknopfes 45 seine Schalt­ stellung ändert.

Mit der beschriebenen Vorsteuerung kann der hydraulische Ver­ braucher in zwei Betriebsarten betrieben werden. Wenn das Schaltventil 40 seine Ruhestellung einnimmt und die Sammellei­ tung 35 absperrt, stellt sich bei einer Auslenkung eines Steuer­ hebels 13 in einer Steuerkammer 18 ein Druck ein, der im wesent­ lichen dem Druck am Steuerausgang 12 des durch die Auslenkung des Steuerhebels 13 betätigten Vorsteuerventils entspricht. Denn das Wegeventil 40 verhindert einen Ölfluß über die entsprechende Festdrossel 32 direkt zum Tank und die Rückschlagventile 34 ver­ hindern einen Ölfluß über die entsprechende Festdrossel 32 sowie die anderen Festdrosseln 32, die den nicht betätigten Vorsteuer­ ventilen nachgeschalteten Festdrosseln 31 und die nicht betätig­ ten Vorsteuerventile zum Tank. Allenfalls eine Leckage über den Steuerschieber 14 kann einen kleinen Ölfluß über die dem gerade betätigten Vorsteuerventil nachgeschaltete Festdrossel 31 und damit auch einen Druckabfall daran verursachen.

Durch Betätigung des Wegeventils 40 wird auf Feinsteuerung umge­ schaltet. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Solange der Druck am Steuerausgang 12 eines Vorsteuerventils geringer ist als der Druck, auf den das Druckbegrenzungsventil 42 eingestellt ist, kann kein Steueröl über die entsprechende Festdrossel 32 zum Tank 43 abfließen. Der Druck in einer Steuerkammer 16 bzw. 17 entspricht deshalb im wesentlichen dem Druck am Steuerausgang 12. Erst wenn der Druck am Steuerausgang 12 den am Druckbegren­ zungsventil 42 eingestellten Druck überschreitet, öffnet das Druckbegrenzungsventil, so daß ein Steuerölstrom über die ent­ sprechende Festdrossel 31, die zugeordnete Festdrossel 32, ein Rückschlagventil 34, das Wegeventil 40 und das Druckbegrenzungs­ ventil 42 zum Tank 43 fließt. Am Abgriffspunkt 33 zwischen den beiden Drosseln 31 und 32 und damit in einer Steuerkammer 16 bzw. 17 steht nun eine Druck an, der zwischen dem Vorsteuerdruck am Steuerausgang 12 und dem am Druckbegrenzungsventil 42 einge­ stellten Druck liegt. Seine Höhe hängt von den Öffnungsquer­ schnitten der Festdrosseln 31 und 32 ab. Durch das Druckbegren­ zungsventil 42 wird erreicht, daß die Bewegung des Steuerschie­ bers 14 im Feinsteuerbetrieb bei derselben Auslenkung des Hebels 13 wie im normalen Betrieb beginnt. Die Differenz zwischen dem Vorsteuerdruck an einem Steuerausgang 12 und dem am Druckbegren­ zungsventil 42 eingestellten Druck steht in einem festen Ver­ hältnis zu der Differenz zwischen dem am Punkt 33 abgegriffenen Vorsteuerdruck und dem am Druckbegrenzungsventil 42 eingestell­ ten Druck. Bei voller Auslenkung eines Steuerhebels 13 ist also der Druck in einer Steuerkammer 16 bzw. 17 kleiner als im norma­ len Betrieb, so daß auch der Steuerschieber 14 weniger weit aus­ gelenkt ist. Somit steht der gesamte Hebelweg am Vorsteuergerät 10 zur Steuerung eines kleineren Geschwindigkeitsbereiches der Arbeitsbewegung zur Verfügung, so daß eine feinfühlige Steuerung ermöglicht ist.

Bei eingeschalteter Betriebsart "Feinsteuerung" können ohne wei­ teres auch mehrere Vorsteuerventile betätigt werden. Eine gegen­ seitige Beeinflussung der Vorsteuerdrücke an den Abgriffspunkten 33 tritt nicht auf.

Claims (8)

1. Vorsteuerung für ein hydraulisch betätigbares Haupt­ steuerventil (15), mit einem verstellbaren Vorsteuerventil (11) mit einem Steuerausgang (12), an dem ein durch ein Eingangssi­ gnal vorgebbarer Vorsteuerdruck ansteht, mit dem eine Steuerkam­ mer (16, 17) des Hauptsteuerventils (15) beaufschlagbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der in der Steuerkammer (16, 17) des Hauptsteuerventils (15) anstehende Vorsteuerdruck auf einen ge­ genüber dem am Steuerausgang (12) des Vorsteuerventils (11) an­ stehenden Vorsteuerdruck kleineren Wert reduzierbar ist.

2. Vorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Steuerkammer (16, 17) des Hauptsteuerventils (15) anstehende Vorsteuerdruck unter Berücksichtigung eines eventuel­ len, für den Verstellbeginn eines Steuerglieds (14) des Haupt­ steuerventils (15) notwendigen Mindestvorsteuerdruck in einem festen Verhältnis gegenüber dem am Steuerausgang (12) des Vor­ steuerventils (11) anstehenden Vorsteuerdruck reduzierbar ist.

3. Vorsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Druckteiler, der zwei Drosseln (31, 32) aufweist, zwischen denen der gegenüber dem Vorsteuerdruck am Steuerausgang (12) des Vorsteuerventils (11) reduzierte Vorsteuerdruck ab­ greifbar ist und von denen eine erste Drossel (31) in einem zwi­ schen dem Abgriffspunkt (33) und dem Steuerausgang (12) des Vor­ steuerventils (11) liegenden, ersten Druckteilerzweig und eine zweite Drossel (32) in einem zwischen dem Abgriffspunkt (33) und einem Tank (43) liegenden, zweiten Druckteilerzweig angeordnet ist.

4. Vorsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Druckteilerzweig in Reihe zu der zweiten Drossel (32) ein Schaltventil (40) mit einer Sperrstellung und einer Durchgangsstellung angeordnet ist.

5. Vorsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (40) durch einen Elektromagneten (41) betä­ tigbar ist.

6. Vorsteuerung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Vorsteuerventile (11) vorhanden sind, denen jeweils ein Druckteiler (31, 32) zugeordnet ist und daß die zweiten Drosseln (32) der mehreren Druckteiler über jeweils ein Rückschlagventil (34) gemeinsam an ein tankseitig von ihnen angeordnetes Schaltventil (40) angeschlossen sind, wobei die Rückschlagventile (34) zum Schaltventil (40) hin öffnen.

7. Vorsteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Drossel (32) eines Druckteilers und dem Tank (43) ein Druckbegrenzungsventil (42) angeordnet ist.

8. Vorsteuerung nach den Ansprüchen 6 und 7, gekennzeich­ net durch ein einziges in Serie zu mehreren zweiten Drosseln (32) angeordnetes Druckbegrenzungsventil (42).