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Die
Erfindung betrifft eine Vorsteueranordnung für ein hydraulisch betätigbares
Hauptsteuerventil gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In
der DE-A-20 22 994 ist eine hydraulische Steuereinrichtung mit Vorsteuerventilen
und Hauptsteuerventilen beschrieben. Die Vorsteuerventile sind parallel
zu den Hauptsteuerventilen an die Druckmittelquelle angeschlossen. Über die
in Reihe geschalteten Vorsteuerventile erfolgt in deren Neutralstellung
ein druckloser Umlauf zum Tank. Mittels einer drosselnden Zwischenstellung
kann der am Steuerdruckausgang der Vorsteuerventile anliegende Druck
zwischen Tankdruck und Pumpendruck eingestellt werden. Eine weitere,
in dieser Druckschrift beschriebene Steuereinrichtung besitzt einen
Stromteiler oder Stromregler, um die Vorsteuerventile über einen
Nebenstrom mit Druck zu versorgen.
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Ein
hydraulisches Antriebssystem ist in der DE-A- 41 02 203 dargestellt.
Ein hydraulisch betätigtes
Steuerventil steuert den Druckmittelstrom zu einem Hydromotor. Das
Steuerventil wird aufgrund einer Druckdifferenz aus einem am Hydromotor
anliegenden Lastdruck und einem durch einen Steuerdruckgeber vorgegebenen
Steuerdruck betätigt.
In einer von der Steuerdruckleitung abzweigenden Rücklaufleitung
ist ein Proportional-Wegeventil angeordnet, welches die Rücklaufleitung
absperrt oder stufenlos öffnet.
Das Proportional-Wegeventil
in der Rücklaufleitung
wird gemäß einer
Druckdifferenz, die sich an einer im Zulauf des Hydromotors angeordneten
Meßblende
einstellt, hydraulisch gesteuert.
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Es
ist bekannt, bei Baumaschinen, wie z. B. Baggern oder Kränen, an
Vorsteuergeräte,
die insbesondere auf der Basis von direktgesteuerten Druckreduzierventilen
arbeiten, manuell veränderbare
Eingangssignale zu legen, die von den Vorsteuergeräten in Vorsteuerdrücke umgesetzt
werden, deren Höhe
vom Eingangssignal abhängt.
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 Abhängigkeit 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 Öffnungsquerschnitt
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 manuellen Hebelweg am Vorsteuergerät.
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Bei
modernen Baumaschinen werden sowohl gute Feinsteuerbarkeit als auch
hohe Arbeitsgeschwindigkeiten gefordert. Da aus ergonomischen Gründen der
Hebelweg am Vorsteuergerät
begrenzt ist, wird die Feinsteuerbarkeit um so geringer, je höher die
maximale Arbeitsgeschwindigkeit sein soll. Durch einen progressiven
Verlauf der Kennlinien sowohl des Vorsteuergerätes als auch des Öffnungsquerschnittes
im Hauptventil wird zwar die Feinsteuerbarkeit im Bereich kleiner
Geschwindigkeiten verbessert, die Steuerbarkeit im Bereich größerer Geschwindigkeiten
verschlechtert sich jedoch.
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Vorsteueranordnung mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß die Steuerbarkeit
einer Arbeitsbewegung im Bereich kleiner Geschwindigkeiten verbessert
wird, wobei auch im Bereich größerer Geschwindigkeiten
eine gute Steuerbarkeit möglich
sein soll.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß durch eine
Vorsteueranordnung erreicht, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorsteueranordnung
ist es ebenso wie bei bisher bekannten Vorsteuerungen möglich, eine
Steuerkammer des Hauptsteuerventils mit dem am Steuerausgang des
Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdruck zu beaufschlag Für große Geschwindigkeiten
der Arbeitsbewegung ändert
sich somit gegenüber
bekannten Vorsteuerungen nichts. Die Steuerkammer des Hauptsteuerventils
kann jedoch auch mit einem Vorsteuerdruck beaufschlagt werden, der
gegenüber
dem am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden Druck reduziert
ist. Der gesamte Hebelweg am Vorsteuergerät entspricht dann einem kleineren
Bereich des Steueröffnungsquerschnittes
im Hauptventil und somit einem kleineren Geschwindigkeitsbereich
der Arbeitsbewegung. In diesem Geschwindigkeitsbereich ist dann
eine sehr feinfühlige
Steuerung möglich.
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Die
Reduzierung des am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden
Vorsteuerdrucks erfolgt auf kostengünstige Weise durch einen Druckteiler,
der zwei Drosseln aufweist, zwischen denen der reduzierte Vorsteuerdruck
abgreifbar ist. Von der normalen Vorsteuerung, während der der am Steuerausgang
des Vorsteuerventils anstehende Druck auch in der Steuerkammer des
Hauptsteuerventils ansteht, wird zur Feinsteuerung, bei der der
Vorsteuerdruck in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils gegenüber dem
Vorsteuerdruck am Steuerausgang des Vorsteuerventils reduziert ist,
dadurch übergegangen, daß ein Steuerölfluß durch
die zweite Drossel ermöglicht
wird. Dazu ist 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 Steuerglied 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 berücksichtigt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorsteuerung kann man den
Unteransprüchen
entnehmen.
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Vorteilhafterweise
ist der in der Steuerkammer des Hauptsteuerventils anstehende Vorsteuerdruck
unter Berücksichtigung
eines für
den Verstellbeginn eines Steuerglieds des Hauptsteuerventils notwendigen
Mindestvorsteuerdruckes gegenüber dem
am Steuerausgang des Vorsteuerventils anstehenden Vorsteuerdruck
reduzierbar.
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Üblicherweise
sind in mobilen Arbeitsgeräten
mehrere Vorsteuerventile vorhanden, um mehrere hydraulische Verbraucher
einzeln ansteuern zu können.
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist diesen
mehreren Vorsteuerventilen 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 angeordnetes Schaltventil
angeschlossen sind, wobei die Rückschlagventile
Schaltventil hin öffnen.
Es ist also nur ein Schaltventil für mehrere Vorsteuerventile
und mehrere Druckteiler vorhanden. Die Rückschlagventile gewährleisten,
daß kein
Steueröl über die
zweiten Drosseln abfließt,
daß also
jeder hydraulische Verbraucher einzeln angesteuert werden kann und
der Druck in einer Steuerkammer dem Vorsteuerdruck am Steuerausgang
eines Vorsteuerventils entspricht.
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Der
Steuerschieber eines Hauptsteuerventils wird normalerweise durch
eine oder mehrere Rückstellfedern
in einer Ruhelage gehalten, in der den Rückstellfedern noch eine Vorspannung
zu eigen ist. Es ist deshalb ein Mindestvorsteuerdruck notwendig, um
eine Bewegung des Steuerschiebers einzuleiten. Dieser Mindeststeuerdruck
macht sich in einem Totweg am manuell betätigbaren Vorsteuerhebel bemerkbar,
der erst mit dem Hebel zurückgelegt
werden muß,
bis eine Arbeitsbewegung stattfindet. Mit einem Druckbegrenzungsventil
kann der Totbereich in der Betriebsart "Feinsteuerung" genau so groß wie in der normalen Betriebsart
gemacht werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorsteuerung
ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand dieser Zeichnung wird die
Erfindung nun näher
erläutert.
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In
der Zeichnung sind zwei hydraulische Vorsteuergeräte 10 erkennbar,
die beide auf der Basis von direktgesteuerten Druckreduzierventilen
II arbeiten, von denen eines symbolhaft in jedes Vorsteuergerät eingezeichnet
ist. Jedes Vorsteuergerät
besitzt insgesamt vier Vorsteuerventile 11 und entsprechend 4
Steuerausgänge 12. Über einen
Vorsteuerhebel 13, der aus einer Mittelstellung heraus,
in der an allen Steuerausgängen 12 eines
Vorsteuergeräts 10 Tankdruck
ansteht, nach vier Richtungen ausgelenkt werden kann, können die
Vorsteuerventile 11 verstellt werden. Je nach Hebelauslenkung
regeln sie am entsprechenden Steuerausgang 12 einen bestimmten Vorsteuerdruck
ein. Vorsteuergeräte
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.
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Mit
den Vorsteuergeräten 10 werden
die Steuerschieber 14 mehrerer Hauptsteuerventile 15 angesteuert,
von denen eines in der Zeichnung dargestellt ist. In diesem Hauptsteuerventil 15 befindet 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 Rückstellfedern 19 und 20 auf,
die koaxial zueinander angeordnet sind und den Steuerschieber 14 in
einer Mittelstellung zentrieren, aus der er gegen die Kraft der Rückstellfedern 19 und 20 nach
entgegengesetzten Richtungen verschoben werden kann.
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Das
Hauptsteuerventil besitzt zwei Verbraucheranschlüsse 25 und 26,
an die zwei zu einem Hydrozylinder 27 führende Arbeitsleitungen 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 einer Druckquelle und der andere Arbeitsanschluß mit einem
Tank verbunden.
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Zu
jedem Steueranschluß 18 der
Hauptventile 15 führt
eine Steuerleitung 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 zwischen dem Abgriffspunkt 33 und
einem Steuerausgang 12 eines Vorsteuerventils 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 absperrt. Es kann von einem Elektromagneten 41 in
eine Schaltstellung gebracht werden, in der die Sammelleitung 35 über das
Wegeventil 40 mit dem Eingang eines Druckbegrenzungsventils 42 verbunden
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.
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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 Elektromagnet 41 erregt, so daß der Durchgang durch das Wegeventil 40 offen
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 Schaltstellung ändert.
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Mit
der beschriebenen Vorsteuerung kann der hydraulische Verbraucher
in zwei Betriebsarten betrieben werden. Wenn das Schaltventil 40 seine Ruhestellung
einnimmt und die Sammelleitung 35 absperrt, stellt sich
bei einer Auslenkung eines Steuerhebels 13 in einer Steuerkammer 18 ein
Druck ein, der im wesentlichen 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 verhindern
einen Ölfluß über die
entsprechende Festdrossel 32 sowie die anderen Festdrosseln 32,
die den nicht betätigten
Vorsteuer ventilen nachgeschalteten Festdrosseln 31 und
die nicht betätigten
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.
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Durch
Betätigung
des Wegeventils 40 wird auf Feinsteuerung umgeschaltet.
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 Druckbegrenzungsventil 42 eingestellten Druck überschreitet, öffnet das
Druckbegrenzungsventil, so daß ein
Steuerölstrom über die
entsprechende Festdrossel 31, die zugeordnete Festdrossel 32,
ein Rückschlagventil 34,
das Wegeventil 40 und das Druckbegrenzungsventil 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 eingestellten Druck liegt. Seine
Höhe hängt von
den Öffnungsquerschnitten der
Festdrosseln 31 und 32 ab. Durch das Druckbegrenzungsventil 42 wird
erreicht, daß die
Bewegung des Steuerschiebers 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 Druckbegrenzungsventil 42 eingestellten Druck steht in
einem festen Verhältnis
zu der Differenz zwischen dem am Punkt 33 abgegriffenen
Vorsteuerdruck und dem am Druckbegrenzungsventil 42 eingestellten Druck.
Bei voller Auslenkung eines Steuerhebels 13 ist also der
Druck in einer Steuerkammer 16 bzw. 17 kleiner
als im normalen Betrieb, so daß auch
der Steuerschieber 14 weniger weit ausgelenkt 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.
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Bei
eingeschalteter Betriebsart "Feinsteuerung" können ohne
weiteres auch mehrere Vorsteuerventile betätigt werden. Eine gegenseitige
Beeinflussung der Vorsteuerdrücke
an den Abgriffspunkten 33 tritt nicht auf.