DE602004012846T2

DE602004012846T2 - Load-sensing-Hydrauliksystem mit mehreren Sektionen

Info

Publication number: DE602004012846T2
Application number: DE602004012846T
Authority: DE
Inventors: Ulderico Busani
Original assignee: Walvoil SpA
Current assignee: Walvoil SpA
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: EP1610002A1; DE602004012846D1; US7219593B2; US20050287017A1; EP1610002B1; ATE391238T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, bestehend aus zwei oder mehreren Elementen.
Hydraulische Steuervorrichtungen haben die Aufgabe, einen Ölstrom über Steuersignale manueller, pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Art zu öffnen, zu schließen oder umzuleiten.
Im Allgemeinen sind sie aus einem Hohlkörper aufgebaut, in dem ein bewegliches, Kolben oder Schieber genanntes Element gleitet, das die verschiedenen Zweige des Kreislaufes je nach eingenommener Stellung mit dem Mediumzulauf oder -rücklauf in Verbindung bringt.
Der Schieber der hydraulischen Steuervorrichtung kann seine Stellungen präzise einnehmen, wodurch am Ausgang sofort der volle Volumenstrom abgegeben bzw. dieser vollkommen gesperrt wird; es handelt sich hier um hydraulische Steuervorrichtungen mit „On-Off"-Ausgang.
Kann der Schieber hingegen neben den Endstellungen beliebig viele Zwischenstellungen (Drosselstellungen) einnehmen, so dass sich unterschiedliche Ströme einstellen, handelt es sich um proportionale hydraulische Steuervorrichtungen.
In diesem Fall übernimmt das Gleitelement oder der Schieber automatisch auch die Funktion eines Durchflussregelventils ohne Kompensation. Bei einem Durchflussregelventil ohne Kompensation wird der Volumenstrom von den Druckschwankungen am Eingang und Ausgang beeinflusst.
Damit sich die oben genannten Schwankungen nicht auf den Volumenstrom auswirken, ist der Einsatz weiterer, Druckkompensatoren genannter Bauteile notwendig, welche das Druckgefälle ΔP konstant und somit unverändert an den Anschlüssen der hydraulischen Steuervorrichtung halten.
Bei Einsatz eines Druckkompensators ist der Volumenstrom daher eindeutig an den Schieberhub gebunden und lastunabhängig.
Da es zwei Elementeausgänge gibt ist das Element mit seinem Schieber derart ausgebildet, dass der einzige Druckkompensator unterschiedslos auf beide Ausgänge (oder Arbeitsfunktionen) einwirkt.
Bei beweglichen Maschinen ist der Einsatz zahlreicher nebeneinander angeordneter, einen einzelnen, hydraulische Steuervorrichtung genannten Block ausbildender Elemente weit verbreitet.
Der Bediener bewegt durch Betätigung des Steuerhebels den Schieber des hydraulischen Steuerventils schrittweise und stellt die Schieberöffnung ein. Folglich steigt insgesamt die Zahl der Elemente mit der Anzahl der zu versorgenden Verbraucher.
Wenn bei gleichzeitiger Betätigung mehrerer Verbraucher ein über der höchsten Pumpenförderleistung liegender Gesamtvolumenstrom notwendig ist, tritt bei dem System eine „Sättigung" ein.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist eine entsprechende Auswahl und Anordnung der Kompensatoren nötig, so dass die Herabsetzung des Volumenstrom an den Verbrauchern gegenüber dem durch den Schieberhub eingestellten Volumenstrom anteilsmäßig auf alle sich in Betrieb befindlichen Verbraucher verteilt wird.
Mit dieser als sättigungssicher bezeichneten Anordnung können zwar die erwünschten Geschwindigkeiten nicht eingehalten, jedoch die Relativbewegungen zwischen den in Betrieb befindlichen Verbrauchern ähnlich gestaltet werden.
Nach dem Stand der Technik sind bereits hydraulische Steuervorrichtungen bekannt, welche einen Grossteil der oben genannten Probleme lösen.
Ein erstes Beispiel nach dem Stand der Technik ist in US 4,179,753 beschrieben, wo ein Druckkompensator für jede Arbeitsfunktion anstatt für jedes Element vorgesehen ist, was bei gleichen Arbeitsfunktionen zu doppelt so vielen Druckkompensatoren führt.
Wie ferner aus der Patentschrift US 4,719,753 hervorgeht wird das von der Arbeitsfunktion unter höherem Druck an alle Kompensatoren und an den Pumpendruckkompensator gesandte Signal stromabwärts des Druckkompensators unter höherem Druck direkt an der Arbeitsfunktion unter höherem Druck abgegriffen. Zur Vermeidung von Lastabfällen wird dieses Signal nicht direkt versandt, sondern (durch einen nicht in der On-Off-Ausführung gestalteten 4/2-Schieber, der stufenlos in Zwischenstellungen angeordnet werden kann) kopiert, wobei Öl stromaufwärts des Druckkompensators (zwischen dem Schieber und dem Druckkompensator) entnommen wird.
Ähnlich wie bei der obigen Patentschrift wird bei dem in WO98/13604 angegebenen Kreislauf das Öl zwischen dem Schieber und dem Druckkompensator entnommen, wodurch dessen Druck auf den Druckwert stromabwärts des Druckkompensators reduziert wird.
Dies erfolgt hier nicht durch einen Selektorschieber sondern durch eine Drossel und ein Sperrventil an dem physisch stromaufwärts des Kompensators abgegriffenen LS-Signal, welches Ventil den Signalfluss ausschliesslich zu der Leitung stromabwärts des Kompensators freigibt.
Wenn also das LS-Signal größer als der Druck stromabwärts des Kompensators ist, ist das Ventil offen.
Hierdurch entsteht ein Strom, durch den verhindert wird, dass der LS-Druck größer als der Druck stromabwärts des Druckkompensators wird.
Dies wird durch die über die Drossel herbeigeführte Druckabnahme ermöglicht.
Hier sei bemerkt, dass der den Volumenstrom über den Schieber bestimmende Stand-by-Betrieb von dem durch die Pumpe bewirkten Stand-by-Betrieb abzüglich der unveränderlichen Druckabnahmen zwischen der Pumpe und dem Signalabgriffspunkt gebildet wird. Da das Signal stromabwärts des Druckkompensators abgegriffen wird wirken sich auch dessen Verluste negativ auf den wirksamen Stand-by-Betrieb aus. Bei maximalen Volumenströmen können sich leicht Druckabnahmen von 1–2 Bar einstellen, welche sich bei einem Stand-by-Betrieb von 10 bis 20 Bar auf 10–20% belaufen können. Ferner wird der Druck der Arbeitsfunktion, der stromabwärts des Druckkompensators an dem Element unter höherem Druck entnommen wird, über den Druckkompensator in dem Element unter niedrigerem Druck stromaufwärts des Druckkompensators (zwischen dem Schieber und dem Druckkompensator) bestimmt. Daher ist der wirksame Stand-by-Betrieb in dem Element unter niedrigerem Druck grösser als in dem Element unter höherem Druck. Folglich bewirkt eine Umkehr des Elementes unter höherem Druck einen Anstieg des wirksamen Stand-by-Betriebs gegenüber dem zuvor unter höherem Druck stehenden Element und umgekehrt, was einem stufenweisen Anstieg des Volumenstroms und umgekehrt entspricht.
Ein weiteres Beispiel ist aus US 5,715,865 bekannt: hier wird das Drucksignal jeweils vor den Druckkompensatoren abgegriffen und der höchste Druck vor den Druckkompensatoren wird über eine Reihe von Selektoren an die Pumpe und an alle örtlichen Druckkompensatoren gesandt, die jedoch auch den Druckkompensator an dem Element unter höherem Druck einschließen.
Folglich weist letzterer auf beiden Seiten den gleichen Druck auf: bei Anordnung einer Feder in der herkömmlichen Sperrventilstellung würde der Druckkompensator den Durchgang verschließen, die Feder wird jedoch genau in der entgegengesetzten Richtung angeordnet. Bei einem solchen Aufbau arbeitet der Druckkompensator jedoch nicht mehr als Sperrventil (da er normalerweise offen ist), so dass zur Vermeidung von Lastabfällen ein separates Sperrventil in dem Druckkompensator angeordnet werden muss.
Als weiteres Beispiel nach dem Stand der Technik beschreibt US 5,890,362 die besondere Form des Druckkompensators, der hier zweiteilig ausgebildet ist, um sowohl als Selektor als auch als Sperrventil zu arbeiten.
Bei der in US 5,806,312 offenbarten Technik wird der Einsatz des Druckkompensators als Selektor beschrieben, womit der Druckkompensator lediglich in dem Element unter höherem Druck so weit angehoben wird, dass er die innere Bohrung zur Federseite des Druckkompensators öffnet, wodurch der Druck vor dem Druckkompensator zu den anderen Kompensatoren und der Pumpe gelangt. Die Elemente unter niedrigerem Druck werden hingegen weniger stark angehoben und führen keinesfalls zur Öffnung dieser Bohrung.
Da der Druckkompensator aufgrund seiner Funktion den Durchgang zwischen der Pumpe und der Arbeitsfunktion vor Öffnung der Signalbohrung öffnen muss, kann er bei vorübergehend herrschenden Bedingungen, bei denen der Arbeitsfunktionsdruck den Pumpendruck übersteigt, den Lastabfall nicht verhindern.
Um dies zu vermeiden muss daher stromabwärts des Druckkompensators ein Sperrventil zum Einsatz kommen.
Die Anmelderin hat eine als Einheitsblock ausgebildete hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz für Frontlader entwickelt: von der spezifischen Anwendung abgesehen ist hier ein Sättigungsschutz-Konzept vorhanden, das jedoch bei einer als Einheitsblock ausgebildeten hydraulischen Steuervorrichtung insbesondere für zwei Hydraulikzylinder eingesetzt wird.
Demzufolge gibt es bei dieser hydraulischen Steuervorrichtung nur zwei Elemente, so dass nur ein Schieber die direkt zwischen den Zylindern abgegriffenen Drucksignale vergleichen kann; das Hinzufügen eines weiteren Verbrauchers wird dadurch verhindert, dass ein einzelner Schieber für die Druckkompensation und die Sättigung zuständig ist. Diese Patentschrift begrenzt also die Anzahl der zu regelnden Verbraucher.
Die Erweiterung auf eine hydraulische, aus den bei dem Einheitsblock zum Einsatz kommenden Lösungen aufgebaute Steuervorrichtung macht das System durch die Schwierigkeit, direkt eine Anzahl N von Verbrauchern zu vergleichen, deutlich komplizierter.
Ein Nachteil nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die genannten Probleme, insbesondere Lastabsenkungen, Volumenstromsprünge und Sättigung entweder nicht zufriedenstellend oder unvollständig oder durch proportionale Selektorsysteme gelöst werden, wodurch die Anordnung besonders anfällig wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz anzugeben, welche je nach Anzahl der zum Einsatz kommenden Arbeitsfunktionen aus mehreren Elementen besteht, die Kompensation der Verbraucherdrücke erlaubt und das System vor Sättigung schützt, wenn die gleichzeitige Betätigung zahlreicher Verbraucher insgesamt einen Volumenstrom nötig machen, der über der höchsten Pumpenförderleistung liegt.
Zu den Vorteilen, welche mit der aus zwei oder mehreren Elementen bestehenden hydraulischen Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz erzielbar sind kann ein Gegenstand hervorgehoben werden, der aus einer der Anzahl der zu bedienenden Arbeitsfunktionen mit gleichem hydraulischen Schaltplan entsprechenden Zahl von Elementen besteht; hierdurch werden folgende Ergebnisse erzielt:

• Wegfall von vorübergehenden Lastabfällen, da das den Pumpendruckkompensator betätigende Öl stromaufwärts des Druckkompensators entnommen wird: da dieser als Sperrventil arbeitet wird es nicht der Arbeitsfunktion entnommen;
• Steigerung des wirksamen Stand-by-Betriebes an dem Schieber, was bei gleichem Stand-by-Betrieb einen höheren Volumenstrom, bzw. einen niedrigeren Stand-by-Betrieb bei gleichem Volumenstrom und folglich niedrigere Energieverluste bedeutet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der von der Pumpe bewirkte Stand-by-Betrieb zwischen der Pumpe und der Arbeitsfunktion nach dem Schieber vor dem Druckkompensator erfolgt;
• Wegfall von sprunghaften Veränderungen des wirksamen Stand-by-Betriebs und folglich von sprunghaften Veränderungen des Volumenstroms bei Umkehr der Arbeitsfunktion unter höherem Druck, da der wirksame Stand-by-Betrieb für alle Schieber gleich ist, sowohl für die unter höherem als auch für die unter niedrigerem Druck stehende;
• Wegfall von in den Kreislauf einzubauenden Sperrventilen zur Vermeidung von Lastabfällen: diese Aufgabe wird unter besonderen Betriebsbedingungen von dem Druckkompensator übernommen.

Diese Aufgaben und Vorteile werden allesamt mit der aus zwei oder mehreren Elementen bestehenden hydraulischen Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz erzielt, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, welche die Merkmale der unten aufgeführten Ansprüche aufweist.
Diese und weitere Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen näher hervor, die lediglich beispielsweise und nicht beschränkend in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind; es zeigen:
1 eine hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, die aus zwei oder mehreren Elementen mit Schaltelementen besteht;
2 eine Variante der in 1 dargestellten hydraulischen Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, die aus zwei oder mehreren Elementen mit Schaltelementen besteht;
3 eine Variante der hydraulischen Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, die aus zwei oder mehreren Elementen besteht.
In 1 ist mit P eine hydraulisch gesteuerte Verstellpumpe gekennzeichnet, die von dem druckbeaufschlagten Öl betätigt wird, das von der Leitung D kommt.
Die hydraulische Steuervorrichtung besteht insbesondere aus drei Elementen E1, E2, E3, welche jeweils über Verbindungen A1–B1, A2–B2, A3–B3 mit ihren entsprechenden Verbrauchern verbunden sind.
Jedes Element weist einen 6/3-Schieber 4, einen Druckkompensator 3 und Selektormittel MS, d. h. insbesondere Schaltkreise auf, wie ein Selektorventil 7 und ein Sperrventil 6 mit Feder M6.
Zusätzlich weist das Selektorventil 7 eine Feder M7 auf.
Die Pumpe P versorgt über eine Leitung G die einzelnen Schieber 4.
Die Feder M7 muss eine Mindestlast aufbauen, welche geringfügig über der Druckabnahme des größten Volumenstroms durch den Druckkompensator 3 der einzelnen Elemente liegt.
Erste und zweite Kugeln 7a und 6b der entsprechenden Schaltkreise liegen gegenseitig an mechanischen Antrieben an.
Angenommen die Druckabnahme durch den Druckkompensator 3 liegt bei dem größten zulässigen, von der hydraulischen Steuervorrichtung kommenden Volumenstrom bei zwei Bar, so ist der Einsatz einer Feder M7 ausreichend, die eine 3 Bar große Kraft bereitstellt.
Bei Betätigung des Elementes E1 wirkt der Arbeitsfunktionsdruck von Punkt 1 Richtung A auf die erste Kugel 7a ein, während der Druck von Punkt 2 über C auf die zweite Kugel 6b einwirkt.
Bei einem Unterschied zwischen den beiden Drücken von maximal zwei Bar werden die Kugeln unter der Wirkung der Feder M7 wie in dem in 1 dargestellten Schaltkreis angeordnet. Dann gelangt der Druck über B zu der M3-Federseite des als Sperrventil arbeitenden Druckkompensators 3; der Druck zwischen dem Schieber 4 und dem Druckkompensator 3 gelangt über D zu der Pumpe P und den anderen Elementen E2, E3.
Angenommen diese werden betätigt und der Arbeitsfunktionsdruck ist niedriger als E1, dann wirkt das von dem Element unter höherem Druck kommende Signal auf die erste Kugel 7a der einzelnen Elemente E2, E3 ein, um den D mit B verbindenden Kanal A zu verschließen, woraufhin das Signal zu der M3-Federseite des Druckkompensators der einzelnen Elemente gesandt wird. Bei dieser Funktion wird der Druck von B, bzw. D, bei 2, bzw. C, hergestellt. Bei Betrachten der zweiten Kugel 6b fällt auf, dass diese auf beiden Seiten dem gleichen Druck ausgesetzt ist, so dass sie über die Feder M6 den Durchgang zwischen C und D verschließt.
Liegt der Druckunterschied zwischen den beiden Elementen unter 3 Bar, dem Wert der zusätzlichen Feder M7, der über der maximalen Druckabnahme des maximalen Volumenstroms durch den Druckkompensator 3 der einzelnen Elemente liegt, dann bleiben die ersten Kugeln 7a der beiden Elemente E2 und E3 weiterhin so angeordnet, wie in dem Schaltplan dargestellt ist, so dass alle Kompensatoren 3 als Sperrventile arbeiten und keiner die Funktion eines Druckkompensators ausübt.
In dieser Situation werden die zweiten Kugeln 6b durch die ersten Kugeln 7a über den genannten mechanischen Antrieb physisch offen gehalten, so dass die Schieber 2, bzw. die Bereiche zwischen Schieber 4 und Druckkompensator 3, miteinander verbunden werden und ein minimaler Ölfluss zwischen den einzelnen Elementen möglich wäre; dies ist jedoch angesichts des minimalen in Frage stehenden Unterschieds kaum störend, kann jedoch mit dem in 2 dargestellten Schema vermieden werden.
Aus 2 geht hervor, dass die Schaltkreise hier erste und zweite Selektorventile 7 und 8 sind, wobei auch hier die unentbehrliche Feder M7 in das erste Selektorventil 7 eingesetzt ist, die einen Wert aufweist, der über der Druckabnahme des größten Volumenstroms durch den Druckkompensator 3 der einzelnen Elemente liegt.
Die Kugeln 7a und 8b der jeweiligen Schaltkreise liegen an einem mechanischen Antrieb an, der aus der Übereinstimmung von 1 und 2 hervorgeht.
Bei einem solchen Schaltkreis wird das Problem des minimalen Ölflusses auch unter dem M7-Feder-Wert gelöst, da anstelle des Sperrventils 6 ein Selektorventil 8 vorgesehen ist, so dass die Kugel 8b in ihrer eigenen Aufnahme schließt und die Verbindung zwischen den Schiebern 2, bzw. den Bereichen zwischen Schieber 4 und Druckkompensator 3, verhindert.
In 3 ist eine Konstruktionsvariante der in 2 skizzierten Schaltkreise dargestellt, wobei hier anstelle der genannten Druckselektormittel MS ein als 4/2-Selektorschieber 10 in On-Off-Ausführung vorgesehen ist, der gleichzeitig alle funktionellen Vorteile des oben genannten Falles bietet.
Auch bei dieser Ausbildung weist der Selektorschieber 10 die bereits beschriebene Feder M7 auf.
Wenn der Druckunterschied zwischen zwei Elementen unter drei Bar liegt, arbeiten alle Kompensatoren 3 als Sperrventile und keiner der Kompensatoren übt seine eigentliche Funktion als Druckkompensator aus.
Das Grundprinzip, auf dem der Sättigungsschutz beruht, besteht darin, den gleichen Druck an den Punkten 2 zwischen Schieber und Druckkompensator aufzubauen. Dies erfolgt dadurch, dass der höchste Arbeitsfunktionsdruck (von Leistungstolleranzen abgesehen, welche Unterschiede von wenigen Bar hervorrufen können) über die Druckkompensatoren auch den Elementen unter niedrigerem Druck aufgezwungen wird.
Maschinen, die ständig den gleichen Druck bei allen Elementen gewährleisteten, würden bereits mit Sättigungsschutz arbeiten, ohne dass Kompensatoren notwendig wären, sondern lediglich mit den Rückfluss verhindernden Sperrventilen.
Wenn der Druckunterschied zwischen den beiden Arbeitsfunktionen unter drei Bar liegt, kann man davon ausgehen, dass der obige Fall vorliegt, so dass sich keinerlei Funktionsstörungen einstellen, wenn beide Kompensatoren als Sperrventil arbeiten.

Claims

Hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, bestehend aus zwei oder mehreren Elementen (E1–E3), wobei die einzelnen Elemente aus einem proportionalen 6/3-Schieber (4) bestehen, einem ebenfalls proportionalen Druckkompensator (3), einer Drossel (4) für den einwandfreien Betrieb, Druckselektormitteln (MS) zur Schaltung der verschiedenen Elemente ((E1–E3), so dass die Arbeitsfunktion unter höherem Druck diesen Druck an die Federseite ihres Druckkompensators (3) sendet, wodurch dieser als Sperrventil arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckselektormittel derart geschaltete Schaltkreise (6, 7 oder 7, 8) sind, dass erste und zweite Kugeln (7A, 6B oder 7A, 8B) der entsprechenden Schaltkreise gegenseitig an mechanischen Antrieben anliegen; eine Feder (M7) den Schaltkreisen (7, 8 oder 6, 7) hinzugefügt ist, wobei die Feder (M7) eine Mindestlast herstellt, welche geringfügig über der Druckabnahme des größten Volumenstroms durch den örtlichen Druckkompensator (3) ist, so dass die zweiten Kugeln (6B, 8B) durch den mechanischen Antrieb physisch von den ersten Kugeln (7A) offen gehalten werden, solange die Last der auf die ersten Kugeln (7A) einwirkenden Feder (M7) nicht überschritten wird und so dass die Arbeitsfunktion unter höherem Druck den zwischen dem Schieber (4) und ihrem Druckkompensator (3) herrschenden Druck an die Kompensatoren (3) der anderen Elemente und an die Pumpe (P) leitet.
Hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise erste und zweite Selektorventile (7, 8) sind, wobei in das erste Selektorventil (7) die Feder (M7) eingebaut ist.
Hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise aus einem Sperrventil (6) mit Feder (M6) und einem Selektorventil (7) bestehen, wobei in das Selektorventil (7) die Feder (M7) eingebaut ist.
Hydraulische Steuervorrichtung mit Sättigungsschutz, umfassend zwei oder mehrere Elemente (E1–E3), wobei die einzelnen Elemente aus einem proportionalen 6/3-Schieber (4) bestehen, einem ebenfalls proportionalen Druckkompensator (3), einer Drossel (4) für den einwandfreien Betrieb, Druckselektormitteln (MS) zur Schaltung der verschiedenen Elemente ((E1–E3), so dass die Arbeitsfunktion unter höherem Druck diesen Druck an die Federseite ihres Druckkompensators (3) sendet, wodurch dieser als Sperrventil arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckselektormittel als On-Off ausgebildete 4/2-Selektorschieber (10) sind, die eine Feder (M7) aufweisen; wobei diese Feder (M7) eine geringfügig über der Druckabnahme des größten Volumenstroms durch den örtlichen Druckkompensator (3) liegende Mindestlast herstellt, so dass die Arbeitsfunktion unter höherem Druck den zwischen dem Schieber (4) und ihrem Druckkompensator (3) herrschenden Druck an die Kompensatoren (3) der anderen Elemente und der Pumpe (P) leitet.