-
Technisches
Gebiet
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Pumpensteuersystem
zur Steuerung der Verdrängung
einer Pumpe. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Verfahren und
ein System zur elektrohydraulischen Pumpensteuerung gerichtet, welches
Pumpencharakteristiken verwendet, die aus einem Betrieb der Pumpe
bestimmt werden.
-
Hintergrund
-
Eine
Pumpe mit einer variablen Verdrängungsfähigkeit
ist in der Industrie wohlbekannt, um ein Werkzeug oder einen hydrostatischen
Motor anzutreiben. In einem gesteuerten Hydrauliksystem (open loop)
wird eine Pumpe mit variabler Verdrängung verwendet, um ein Werkzeug
anzutreiben, wie beispielsweise einen Zylinder oder einen Hydraulikmotor,
und der Strömungsmitteldruck
von der Pumpe zum Werkzeug wird gesteuert durch Veränderung der
Verdrängung
der Pumpe mit variabler Verdrängung.
In einem geregelten hydrostatischen System (closed loop) wird in ähnlicher
Weise eine Pumpe mit variabler Verdrängung verwendet, um einen hydrostatischen
Motor in Vorwärts-
oder Rückwärts-Richtung
anzutreiben, und die Drehzahl des Hydraulikmotors wird gesteuert
durch Veränderung
der Verdrängung
der Pumpe.
-
Eine
Pumpe mit variabler Verdrängung
weist im Allgemeinen eine Antriebswelle, eine drehbare Zylindertrommel
mit mehreren Kolbenbohrungen und Kolben auf, die gegen eine kippbare
Taumelplatte gehalten werden, die durch eine Zentrierungsfeder vorgespannt
ist. Wenn die Taumelplatte relativ zur Längsachse der Antriebswelle
gekippt wird, bewegen sich die Kolben in den Kolbenbohrungen hin
und her, um eine Pumpwirkung zu erzeugen. Jede Kolbenbohrung ist
Einlass- und Auslassdrücken
während
jeder Umdrehung der Zylindertrommel unterworfen. Wenn die Kolbenbohrungen
an den oberen und unteren mittleren Positionen vorbeilaufen, wird
eine Schwenkkraft auf der Taumelplatte als eine Folge der sich hin
und her bewegenden Kol ben und der Druckübertragung innerhalb der Kolbenbohrungen
erzeugt. Manche hydrostatischen Pumpen haben die Betätigungsvorrichtung
und/oder die Abriegelungsventile eliminiert, und zwar durch Steuerung
der Schwenkkräfte
und des Betätigungsvorrichtungsdruckes.
Um genau die Pumpenverdrängung
zu steuern, kann es jedoch nötig
sein, eine geschlossene Logik bzw. Regelung bei der Pumpenverdrängung und/oder
beim Pumpendruck vorzusehen, was die Herstellungskosten vergrößert und
die Zuverlässigkeit
verringert.
-
In
einem System zur Steuerung der Pumpenverdrängung wird ein Pumpensteuersignal
oft durch eine variable Zumessöffnung
und eine feste Zumessöffnung
zu einer Betätigungsvorrichtung
geleitet, um die Verdrängung
der Pumpe mit variabler Verdrängung
zu verändern.
Die Zumessöffnung
wird oft durch ein Kolbenventil gesteuert, welches ansprechend auf
ein ferngesteuertes Signal bewegbar ist. In der Vergangenheit hat
die Anordnung zur Steuerung der Verdrängung einer Pumpe eine Druckabriegelung,
Drehmomentbegrenzer, Entlastungsventile oder andere Komponenten
erfordert. Diese Komponenten vergrößern die Größe der Anordnung und die Herstellungskosten.
-
Beispielsweise
offenbart das US-Patent 6 179 570 eine Pumpensteuerung für einen
hydraulischen Ventilatorantrieb. Die Pumpensteuerung weist eine
Lastrahmenventilanordnung, ein Druckabriegelungsventil und eine
Proportionalelektromagnetventilanordnung auf. Die Lastrahmenventilanordnung
hat ein Ventil, welches ansprechend auf unter Druck gesetztes Strömungsmittel
von der Pumpe bewegt werden kann. Das Druckabriegelungsventil hat
auch ein Ventil, welches ansprechend auf unter Druck gesetztes Strömungsmittel
von der Pumpe bewegt werden kann. Die Proportionalelektromagnetventilanordnung hat
einen Elektromagneten und ein Ventil und kann betätigt werden,
um den Strömungsmittelfluss
durch das Ventil durch ein elektrisches Signal zum Elektromagneten
zu steuern. Die Pumpensteuerung erfordert daher mehrere Ventile.
-
Was
benötigt
wird ist daher ein vereinfachtes Pumpensteuersystem, welches niedrigere
Herstellungskosten aufweist, welches eines oder mehrere der oben
dargelegten Probleme überwindet.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Verdrängung einer Pumpe
mit variabler Verdrängung
vorgesehen, die mit einer Last gekoppelt ist, wobei das Verfahren
die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
ein Pumpensteuersystem zur Steuerung der Verdrängung einer Pumpe mit variabler
Verdrängung vorgesehen,
die Strömungsmittel
von einem Reservoir aufnimmt und mit einer Last gekoppelt ist, wobei das
Pumpensteuersystem die Merkmale des Anspruches 4 aufweist.
-
Es
sei bemerkt, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft
und erklärend
sind und nicht die Erfindung einschränken, wie sie beansprucht wird.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
beigefügten
Zeichnungen, die in dieser Beschreibung mit eingeschlossen sind
und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der
Prinzipien der Erfindung.
-
1A veranschaulicht
eine schematische und diagrammartige Darstellung eines elektrohydraulischen
Pumpensteuersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
1B ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils des elektrohydraulischen Pumpensteuersystems der 1A;
-
1C ist
eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwischen einem Steuerdruck
und einem elektrischen Signal "S" veranschaulicht,
welches an dem in 1A gezeigten Pumpensteuersystem
angelegt wird;
-
2 veranschaulicht
eine schematische und diagrammartige Darstellung eines elektrohydraulischen
Pumpensteuersystems gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist
eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwischen der Pumpenverdrängung und
dem Steuerdruck für
unterschiedliche Pumpendrücke
veranschaulicht;
-
4 ist
eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwischen dem Pumpendruck
und dem Fluss für
unterschiedliche Signaleinstellungen veranschaulicht;
-
5A ist
eine Querschnittsansicht eines Teils des elektrohydraulischen Pumpensteuersystems
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
5B ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils des in 5A gezeigten elektrohydraulischen Pumpensteuersystems;
und
-
5C ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils des elektrohydraulischen Pumpensteuersystems gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Es
wird nun im Detail auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen
Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf die
gleichen oder auf dieselben Teile zu beziehen.
-
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
der Pumpensteueranordnung zur Steuerung der Verdrängung einer
Pumpe mit variabler Verdrän gung,
die mit einer Last 12 gekoppelt ist, wie beispielsweise
mit Werkzeugvorrichtungen, die Zylinderkolben, Hydraulikmotoren
oder beispielsweise andere Werkzeugvorrichtungen aufweisen, die
dem Fachmann offensichtlich sind. Das Steuerungssystem (open loop) 10 für den Antrieb
von Werkzeugvorrichtungen 12 weist eine Pumpe 14 mit
variabler Verdrängung
und ein Pumpensteuersystem 16 zur Steuerung der Verdrängung der
Pumpe 14 auf. Die Pumpe 14 ist strömungsmittelmäßig mit
den Werkzeugvorrichtungen 12 über eine Versorgungsleitung 22 und
ein Werkzeugsteuerventil 24 zum Antrieb der Werkzeugvorrichtungen 12 eingeschlossen.
Die Pumpe 14 wird durch einen Motor angetrieben, wie beispielsweise
einen (Verbrennungs) Motor, und zwar über einen Antriebsstrang 11,
und nimmt Strömungsmittel
von einem Reservoir 18 auf. Die Pumpe 14 hat einen
Druckauslassanschluss 20, der mit der Versorgungsleitung 22 verbunden
ist und seine Verdrängung
zwischen Positionen mit minimaler und maximaler Verdrängung variieren
kann. Durch Veränderung
der Verdrängung
kann die Pumpe 14 notwendigen Strömungsmitteldruck für die Werkzeugvorrichtungen 12 liefern.
-
In
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel hat
die Pumpe 14 auch Pumpendrehzahlsensoren 13, die
die Drehzahl der Pumpe 14 messen können. Die Drehzahl der Pumpe 14 kann
gemessen werden durch Überwachung
des Antriebsstrangs 11 oder durch irgendein anderes dem
Fachmann bekanntes Verfahren. Zusätzlich kann die Pumpe 14 einen
Pumpendrucksensor 15 haben, um den Strömungsmitteldruck am Auslassanschluss 20 zu
messen. In ähnlicher
Weise kann das Werkzeug 12 einen Lastdrucksensor 17 haben,
der den Strömungsmitteldruck beim
Werkzeug 12 überwachen
kann.
-
Die
Verdrängung
der Pumpe 14 wird durch einen Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a gesteuert.
In einem in 1A gezeigten beispielhaften
Ausführungsbeispiel
weist der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a einen
Zylinder 28 mit einem Einlassanschluss 29 und
einem Kolben 30 auf, der mit einer Bestätigungsstange 32 verbunden
ist. Der Kolben 30 ist in dem Zylinder 28 angeordnet,
und die Betätigungsstange 32 ist
mit der Pumpe 14 gekoppelt. Der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a hat
eine Feder 34, um den Kolben 30 um die Betätigungsstange 32 zu
der Position mit minimaler Verdrängung
der Pumpe 14 vorzuspannen. Der Kolben 30 und die
Betätigungsstange 32 sind
gegen die Federvorspannung zu der Position mit maximaler Verdrängung ansprechend
auf Druck bewegbar, der an die Betätigungsanordnung 26a durch
den Einlassanschluss 29 angelegt wird. Eine Feder 35 mit
variabler Vorspannkraft kann so verwendet werden, dass die Vorspannkraft
leicht kalibriert bzw. eingestellt werden kann.
-
Das
Steuerungssystem 10 weist auch eine Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 auf, die
mit dem Druckauslassanschluss 20 der Pumpe 14 mit
variabler Verdrängung
verbunden ist, um die Verdrängung
der Pumpe 14 zwischen ihren Positionen mit minimaler und
mit maximaler Verdrängung
zu steuern. Wie in 1A gezeigt, ist die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 mit
der Pumpe 14 über
die Versorgungsleitungen 22 und eine Leitung 60 verbunden.
Vorzugsweise ist ein Filter 19 an der Leitung 60 vorgesehen.
Die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 weist ein
Drei-Wege-Proportionalventil 38,
eine Druckkammer 40, einen Federvorspannmechanismus 42 und
einen Proportionalelektromagneten 44 auf. Die Ventilanordnung 36 kann auch
eine Anordnung 46 mit eingeschlossenen Federn aufweisen.
-
Das
Proportionalventil 38 hat ein (in der Figur nicht gezeigtes)
Ventilelement darin und erste und zweite Enden 48, 50.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
hat das Proportionalventil 38 einen ersten Anschluss 54,
der mit dem Reservoir 18 durch eine Leitung 56 verbunden
ist, einen zweiten Anschluss 58, der mit dem Auslassanschluss 20 der Pumpe 14 durch
die Leitung 60 und einen Teil der Versorgungsleitung 22 verbunden
ist, und einen dritten Anschluss 62, der mit dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a durch
eine Leitung 64 verbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel
sind ein Filter 82 und eine Zumessöffnung 84 in der Leitung 64 zwischen
dem dritten Anschluss 62 des Proportionalventils 38 und
dem Ver drängungsveränderungsmechanismus 26a vorgesehen.
Das Reservoir 18, welches mit der Leitung 56 verbunden
ist, kann das gleiche Reservoir sein, welches das Strömungsmittel
zur Pumpe 14 liefert.
-
Die
ersten und zweiten Enden 48, 50 des Proportionalventils 38 haben
Strömungsmittelentlüftungskammern 66 bzw. 68,
die mit dem Reservoir 18 durch Leitungen 70, 72 und
einen Teil der Leitung 56 verbunden sind. Eine Steuerzumessöffnung 74 ist
in der Leitung 70 angeordnet. Die Strömungsmittelentlüftungskammern 66, 68 sind
zur Ableitung von Leckage vom Ventil 38 vorgesehen.
-
Das
Proportionalventil 38 hat eine erste Position und eine
zweite Position. In der (in 1A gezeigten)
ersten Position sind der erste Anschluss 54 und der dritte
Anschluss 62 in Strömungsmittelverbindung,
und das Proportionalventil 38 leitet das Strömungsmittel
von dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a zum
Reservoir 18 über
die Leitung 64, den dritten Anschluss 62, den
ersten Anschluss 54, die Leitung 72 und die Leitung 56.
Zur gleichen Zeit ist die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a und
der Pumpe 14 mit variabler Verdrängung blockiert. In der zweiten
Position des Proportionalventils 38 (nicht gezeigt) sind
der zweite Anschluss 58 und der dritten Anschluss 62 in
Strömungsmittelverbindung,
und das Proportionalventil 38 leitet das Strömungsmittel
von der Pumpe 14 zum Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a über die
Leitung 60, den zweiten Anschluss 58, den dritten Anschluss 62 und
die Leitung 64. Gleichzeitig ist die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a und
dem Reservoir 18 blockiert. Das Proportionalventil 38 kann zu
Positionen zwischen der ersten Position und der zweiten Position
bewegt werden, um den Strömungsmittelfluss
durch das Ventil zu steuern.
-
Bei
der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 ist der
Federvorspannmechanismus 42 am ersten Ende 48 angeordnet.
Der Federvorspannmechanismus 42 ist betreibbar ist, um
das Proportionalventil 38 zur ersten Position vorzuspannen,
um Strömungsmittel
von dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a zum
Reservoir 18 zu leiten. Der Federvorspannmechanismus 42 kann
eine variable Vorspannkraft vorsehen, so dass diese eingestellt
werden kann.
-
Die
Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 weist auch
die Druckkammer 40 auf, die typischerweise durch einen
unterschiedlichen Querschnitt oder einen Vorspannungskolben gebildet wird,
und zwar angeordnet am ersten Ende 48. Wie in 1A gezeigt,
ist die Druckkammer 40 mit dem dritten Anschluss 62 des
Proportionalventils 38 durch eine Leitung 76 und
einen Teil der Leitung 64 verbunden. In gewissen Ausführungsbeispielen
ist die effektive Querschnittsfläche
der Druckkammer 40 geringer als die Querschnittsfläche des
Ventilelementes in dem Proportionalventil 38.
-
Zusätzlich weist
die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 den Proportionalelektromagneten 44 auf,
der am zweiten Ende 50 des Proportionalventils 38 angeordnet
ist. Ansprechend auf den Empfang eines variablen elektrischen Signals "S" legt der Proportionalelektromagnet 44 eine
variierende Kraft entgegengesetzt zum Federvorspannmechanismus 42 an,
der am ersten Ende 48 wirkt, und bewegt das Proportionalventil 38 zur
zweiten Position hin.
-
Die
Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 weist die Anordnung 46 mit
eingeschlossenen Federn auf, die am zweiten Ende 50 zwischen dem
Proportionalelektromagneten 44 und dem Gehäuse des
Proportionalventils 38 angeordnet ist. In einem beispielhaften
Ausführungsbeispiel
hat die Anordnung 46 mit eingeschlossenen Federn zwei Federn 78, 80.
Ein Spalt 79 ist zwischen dem Ende der Feder 80 und
der Feder 78 vorhanden.
-
1B veranschaulicht
eine detailliertere Ansicht der Anordnung mit eingeschlossenen Federn.
Wie in 1B gezeigt, sind die zwei Federn 78, 80 so
angeordnet, dass der Proportionalelektromagnet 44 zuerst
die Feder 78 berührt
und die Kraft nur auf die Feder 78 aufbringt, und dann
darauf folgend die Feder 80 berührt. Die Feder 78 ist
vorgespannt, um eine minimale Druckeinstellung zu definieren, die überwunden
werden muss, wenn der Elektromagnet 44 die Feder 78 berührt, um
eine Bewegung des Proportionalventils 38 zu erreichen.
Die minimale Einstellung kann unter der Zentrierfedervorspannung der
Pumpe eingestellt sein, so dass die Pumpe bei der minimalen Druckeinstellung
des Steuerdruckes überhaupt
keinen Pumpenauslassdruck liefert. Die Feder 80 ist vorgespannt,
um eine maximale Druckeinstellung zu definieren, wenn der Elektromagnet 44 beide
Federn 78, 80 berührt. Die maximale Druckeinstellung
wird auf ein erwünschtes
Niveau eingestellt. Sobald sie voreingestellt und gemessen sind,
können diese
bekannten minimalen und maximalen Steuergrenzen verwendet werden,
um Zwischensteuerdrücke
zu interpolieren.
-
Wie
in 1A gezeigt, weist die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 vorzugsweise eine
Pumpensteuereinheit 83 mit einem Speicher 85 auf.
Die Pumpensteuereinheit 83 ist mit dem Proportionalelektromagneten 44 gekoppelt
und liefert das elektrische Signal "S" zu
dem Proportionalelektromagneten 44, um eine erwünschte Kraft
zu erzeugen, um das Proportionalventil 38 zu bewegen. Die
Pumpensteuereinheit 83 ist auch mit dem Pumpendrehzahlsensor 13,
mit dem Pumpendrucksensor 15 und dem Lastdrucksensor 17 gekoppelt,
um die Pumpendrehzahl, den Auslassdruck der Pumpe 14 mit
variabler Verdrängung
und den Druck an der Last 12 zu überwachen. Basierend auf den überwachten
Werten bestimmt die Pumpensteuereinheit 83 Pumpencharakteristiken
und speichert sie im Speicher 85. Basierend auf den Pumpencharakteristiken
und der erwünschten
Pumpenausgabe sendet die Pumpensteuereinheit 83 das elektrische
Signal "S" zum Elektromagneten 44.
-
1C veranschaulicht
die Beziehung zwischen dem elektrischen Signal "S" und
dem Steuerdruck, der auf das Proportionalventil 38 durch
den Proportionalelektromagneten 44 und die Federn 78, 80 aufgebracht
wird. Zwei Knickpunkte auf dieser Kurve von Amplitude/Signal gegenüber dem
Steuerdruck können
unter Verwendung eines Kurvenschnittpunktes, von Ableitun gen oder
von anderen Techniken lokalisiert werden. Eine Interpolationstechnik
kann darauf folgend ausgeführt
werden, um einen Zwischenpunkt zwischen den zwei Knickpunkten zu
finden. 1C wird im Detail im folgenden
Abschnitt "industrielle
Anwendbarkeit" erklärt.
-
2 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Pumpensteueranordnung gemäß der Erfindung.
Die Pumpensteueranordnung 36, die in 2 gezeigt
ist, kann in einem Regelungssystem (closed loop) 88 verwendet
werden, welches eine hydrostatische Pumpe 90 mit variabler
Verdrängung verwendet,
um einen hydrostatischen Motor 92 oder ähnliches anzutreiben. Die hydrostatische
Pumpe 90 kann umschaltbar Strömungsmittel sowohl in Vorwärts-Richtung
als auch in Rückwärts-Richtung durch
Drehung der (nicht gezeigten) Taumelplatte in der einen Richtung
oder in der entgegengesetzten Richtung pumpen. Diese Konfiguration
ist beispielsweise geeignet, um einen Antriebsstrang einer Maschine
anzutreiben.
-
Die
Pumpe 90 ist mit dem hydrostatischen Motor 92 über eine
Versorgungsleitung 94 zum Antrieb des Motors 92 verbunden.
Die Pumpe 90 ist auch mit dem Reservoir 18 verbunden,
so dass Strömungsmittel
in das System geliefert werden kann, falls nötig. Die Pumpe 90 hat
zwei Auslass/Einlass-Druckanschlüsse 20,
die mit der Versorgungsleitung 94 verbunden sind. Die Auslass/Einlass-Druckanschlüsse können abhängig von
der Verdrängungsrichtung
der Pumpe 90 wechseln. Ähnlich
wie bei der Pumpe 14 im ersten Ausführungsbeispiel kann die Pumpe 90 ihre
Verdrängung
zwischen Positionen für minimale
und maximale Verdrängung
variieren. Durch das Variieren der Verdrängung kann die Pumpe 90 einen
notwendigen Strömungsmitteldruck
liefern, damit der hydrostatische Motor 92 eine erwünschte Motordrehzahl
erreicht.
-
Die
Verdrängung
der Pumpe 90 wird durch einen anderen Verdrängungsveränderungsmechanismus 26b der
Pumpensteueranordnung 86 gesteuert. In diesem beispielhaften
Ausführungsbeispiel, welches
in 2 gezeigt ist, weist der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26b eine
Betätigungs vorrichtung 96 mit
einem Zylinder 98 auf, der in erste und zweite Kammern 100, 102 durch
einen Kolben 104 aufgeteilt ist, der durch zwei Zentrierungsfedern 105 vorgespannt
ist. Die erste Kammer 100 ist mit der Leitung 114 über einen
ersten Anschluss 110 verbunden, und die zweite Kammer 102 ist
mit der Leitung 116 über
einen zweiten Anschluss 112 verbunden. Das Strömungsmittel
kann in jeder der Kammern 100, 102 eingeleitet
werden oder aus diesen herausgeleitet werden. Der Kolben 104 hat
eine Bestätigungsstange 106,
die mit der Pumpe 90 gekoppelt ist, so dass die Verdrängung und
die Pumprichtung der Pumpe 90 durch Bewegung des Kolbens 104 gesteuert
werden kann.
-
Der
Verdrängungsveränderungsmechanismus 26b hat
auch ein Vier-Wege-An/Aus-Elektromagnetventil
oder ein Vier-Wege-Proportionalelektromagnetventil 108.
In dem offenbarten Ausführungsbeispiel
ist das Proportionalventil ein Elektromagnetventil, welches durch
ein elektrisches Signal "S"' betätigt
werden kann. Das Proportionalventil 108 hat ein (in der
Figur nicht gezeigtes) Ventilelement und erste und zweite Enden 118, 120.
Das Proportionalventil 108 hat auch einen ersten Anschluss 126,
der mit der Leitung 114 verbunden ist, einen zweiten Anschluss 128,
der mit der Leitung 116 verbunden ist, einen dritten Anschluss 130,
der mit dem Reservoir 18 durch eine Leitung 132 verbunden
ist, und einen vierten Anschluss 134, der mit dem Drei-Wege-Proportionalventil 38 durch
die Leitung 64 verbunden ist.
-
Das
Proportionalventil 108 ist zwischen einer ersten Position
und einer zweiten Position bewegbar. In der ersten Position ist
der erste Anschluss 126 in Strömungsmittelverbindung mit dem
vierten Anschluss 134, und der zweite Anschluss 128 ist
in Strömungsmittelverbindung
mit dem dritten Anschluss 130. Somit kann in der ersten
Position dass unter Druck gesetzte Strömungsmittel von dem Drei-Wege-Proportionalventil 38 zur
ersten Kammer 100 der Betätigungsvorrichtung 96 durch
die Leitung 64, das Proportionalventil 108 und
die Leitung 114 laufen. Zur gleichen Zeit entweicht das
Strömungsmittel
in der zweiten Kammer 102 der Betätigungsvorrichtung 96 durch
die Leitung 116, das Proportionalventil 108 und
die Leitung 132 zum Reservoir 18. Dies hat eine
Verdrängung
der Pumpe 90 in der Vorwärts-Richtung zur Folge.
-
Alternativ
kann das Proportionalventil 108 in eine zweite Position
bewegt werden. In der zweiten Position ist der erste Anschluss 126 in
Strömungsmittelverbindung
mit dem dritten Anschluss 130, und der zweite Anschluss 128 ist
in Strömungsmittelverbindung
mit dem vierten Anschluss 134. Daher läuft dass unter Druck gesetzte
Strömungsmittel
von dem Drei-Wege-Proportionalventil 38 durch
die Leitung 64, das Ventil 108 und die Leitung 116 in
die zweite Kammern 102 der Betätigungsvorrichtung 96. Gleichzeitig
entweicht das Strömungsmittel
in der ersten Kammer 100 aus der ersten Kammer 100 durch
die Leitung 114, das Ventil 108 und die Leitung 132 zum
Reservoir 18. Folglich gestattet die zweite Position des
Proportionalventils 108, dass die Betätigungsvorrichtung 96 die
Verdrängung
der Pumpe 90 in die umgekehrte Richtung umschaltet.
-
Der
Verdrängungsveränderungsmechanismus 26b kann
einen Federvorspannmechanismus 122 aufweisen, der am ersten
Ende 118 angeordnet ist, der betreibbar ist, um das Proportionalventil 108 zur
ersten Position vorzuspannen. Der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26 kann
auch einen Elektromagneten 127 aufweisen, der am zweiten Ende 120 des
Proportionalventils 108 angeordnet ist, der betreibbar
ist, um das Proportionalventil 108 zur zweiten Position
zu bewegen. Das Ventil 108 kann auch mechanisch oder durch
irgendwelche anderen geeigneten Verrichtungen aktiviert werden.
-
Die
Pumpensteueranordnung 86, die in 2 gezeigt
ist, weist auch die Pumpensteuereinheit 83 mit dem Speicher 85 auf.
Die Pumpensteuereinheit 83 ist mit dem Proportionalelektromagneten 44 und
dem Elektromagneten 127 gekoppelt, um die jeweiligen elektrischen
Signale S, S' zu
liefern.
-
Die
Pumpensteueranordnung 86, die in 2 gezeigt
ist, weist die gleiche Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 auf,
die in 1A veran schaulicht ist.
-
3 veranschaulicht
eine grafische Beziehung zwischen dem elektrischen Signale "S" zum Proportionalelektromagneten 44 und
der Pumpenverdrängung
für die
hydrostatische Pumpe 14, 90 für unterschiedliche Pumpendrücke. In
der Kurvendarstellung ist die Pumpenverdrängung, normiert auf die maximale
Pumpenverdrängung
in Vorwärts-
und Rückwärts-Pumprichtung,
in der horizontalen Richtung aufgezeichnet. Der Steuerdruck in Bar
ist in vertikaler Richtung aufgezeichnet. Die Kurvendarstellung
veranschaulicht die Messung der Pumpenverdrängung gegenüber dem Steuerdruck für drei beispielhafte
Pumpendrücke,
nämlich
150, 200 und 300 Bar. Die Kurvendarstellung zeigt Werte für sowohl den
aufwärts
gerichteten Hub als auch den abwärts gerichteten
Hub für
jeden Pumpendruck. Wenn das Signal zunimmt, nimmt die Pumpenverdrängung entweder
in Vorwärts-
oder in Rückwärts-Richtung für den gleichen
Pumpendruck zu.
-
4 veranschaulicht
die Beziehung zwischen dem Pumpendruck und dem Strömungsmittelfluss
bei unterschiedlichen Signaleinstellungen. In der Kurvendarstellung
in 4 ist der Strömungsmittelfluss
der Pumpe (von Null bis maximal) in der horizontalen Richtung aufgezeichnet.
Der Pumpendruck in Bar ist in der vertikalen Richtung aufgezeichnet. Diese
Darstellung wird oft als "Kennlinie" (eng.: swivel map)
der Pumpe bezeichnet. Der Fachmann kann aus der Kennlinie die Pumpencharakteristiken
einer speziellen Pumpe erkennen, die durch Merkmale definiert werden,
wie beispielsweise die Pumpenverdrängung, den Pumpenauslassdruck
und die Pumpendrehmomentgrenzen. Wenn die Pumpe verwendet wird und
an Abnutzung leidet, kann sich die Kennlinie der Pumpe verändern.
-
5A veranschaulicht
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36. Die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 hat
das Drei-Wege-Proportionalventil 38, den Proportionalelektromagneten 44 und die
Anordnung 46 mit eingeschlossenen Federn. Die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36,
die in 5A gezeigt ist, hat das erste
Ende 48, und das zweite Ende 50 hat einen größeren Durchmesser
als das erste Ende 48. Alternativ können das erste Ende 48 und
das zweite Ende 50 den gleichen Durchmesser haben, und
die Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 kann mit
einem Vorspannkolben ausgerüstet
sein. 5B zeigt die Anordnung 46 mit
eingeschlossenen Federn der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 im
Detail. Wie in 5B gezeigt, hat die Anordnung 46 mit
eingeschlossenen Federn Federn 78, 80, die koaxial
angeordnet sind. Die äußere Feder 78 ist
vorgespannt, um die minimale Druckeinstellung zu definieren, und
die innere Feder 80 ist vorgespannt, um die maximale Druckeinstellung
zu definieren. 5C veranschaulicht ein weiteres
beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36. 5C zeigt den
Spalt 79 zwischen der äußere Feder 78 und
der inneren Feder 80 der Anordnung 46 mit eingeschlossenen
Federn.
-
Industrielle
Anwendbarkeit
-
Der
Betrieb des in 1A veranschaulichten Steuerungssystems
(open loop) 10 wird im Folgenden beschrieben. Wenn der
Betrieb der Pumpe 14 ohne das elektrische Signal "S" zum Proportionalelektromagneten 44 eingeleitet
wird, wird unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Pumpe 14 zu
den Werkzeugvorrichtungen 12 geleitet. Der anfängliche Fluss
des Strömungsmittels
von der Pumpe 14 zu den Werkzeugvorrichtungen 12 beginnt,
diese Werkzeugvorrichtungen anzutreiben. Der Widerstand, der von
den Werkzeugvorrichtungen 12 erzeugt wird, erzeugt einen
Druck in der Versorgungsleitung 22. Beim anfänglichen
Start der Pumpe 14 hat die Feder 34 den Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a zu
der Position mit minimaler Verdrängung
vorgespannt. Weil der Federvorspannmechanismus 42 der Proportionalelektromagnetanordnung 36 das Proportionalventil 38 in
der ersten Position hat, ist der Druck in der Versorgungsleitung 22 beim
Proportionalventil 38 blockiert. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Pumpe 14 mit ihrer minimalen Verdrängung betrieben, weil das unter
Druck gesetzte Strömungsmittel von
der Pumpe 14 nicht durch das Proportionalventil 38 zu
dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26 fließt. Wie
in 1C gezeigt, stellt der Punkt "O" diese
Stufe des Pumpenbetriebs dar.
-
Um
die Pumpenverdrängung
und den Strömungsmitteldruck
zu den Werkzeugvorrichtungen 12 zu vergrößern, wird
das elektrische Signal "S" an den Proportionalelektromagneten 44 angelegt.
Der Proportionalelektromagnet 44 erzeugt eine Kraft, die proportional
zu dem elektrischen Signale "S" ist. Die Kraft ist
gegen das Proportionalventil 38 entgegengesetzt zur Vorspannkraft
des Federvorspannmechanismus 42 gerichtet. Bevor die Kraft
des Proportionalelektromagnetventils 40 das Proportionalventil 38 bewegt,
muss sie die Vorspannkraft des Federvorspannmechanismus 42 und
der Feder 78 überwinden,
die vorgespannt ist, um die minimale Druckeinstellung zu definieren.
Wie in 1C gezeigt, steigt der Steuerdruck
der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 daher anfänglich nicht
mit dem Amplitudenanstieg des elektrischen Signals "S" zum Proportionalelektromagneten 44.
-
Sobald
die Kraft des Proportionalelektromagneten 44 die Vorspannkraft
des Federvorspannmechanismus 42 und der Feder 78 überwinden,
nimmt der Steuerdruck der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 zu,
um die minimale Druckeinstellung am Punkt "MIN" zu
erreichen, der in 1C gezeigt ist. Wenn das elektrische
Signal "S" von der Pumpensteuereinheit 83 von
dem Punkt "MIN" ansteigt, drückt die
Kraft des Proportionalelektromagneten 44 das Proportionalventil 38 zu
seiner zweiten Position, und das unter Druck gesetzte Strömungsmittel
von der Pumpe 14 beginnt, durch das Proportionalventil 38 zu
dem Verdrängungsveränderungsmechanismus 26 zu
laufen, was somit die Verdrängung
der Pumpe 14 zur Position mit maximaler Verdrängung bewegt.
-
Wie
in 1C gezeigt, steigt der Steuerdruck der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 ansprechend
auf das elektrische Signal "S" von der Pumpensteuereinheit 83 zum
Elektromagneten 44 im Betriebsbereich der Pumpe 14.
Es gibt eine Beziehung zwischen dem Steuerdruck und der Amplitude
des elektrischen Signals "S" im Betriebsbereich. Die
Vergrößerung des Signals "S" zum Proportionalelektromagneten 44 hat
zur Folge, dass mehr Strömungsmittel
durch das Ventil 38 geleitet wird, und dass der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26a weiter
zu der Position mit maximaler Verdrängung bewegt wird. Weil der
Druck des Strömungsmittels
in der Leitung 64 auch in der Druckkammer 40 der
Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 wirkt, sobald
der Elektromagnet 44 eine größere Kraft liefert, bewegt
sich das Proportionalventil 38 zu seiner ersten Position,
die den Strömungsmitteldruck von
der Leitung 60 blockiert.
-
Wenn
das elektrische Signal "S" weiter zunimmt,
berührt
der Elektromagnet 44 schließlich die Feder 80,
die vorgespannt ist, um die maximale Druckeinstellung zu definieren,
was beim Punkt "MAX" in 1C gezeigt
ist. Sobald der Steuerdruck den Punkt "MAX" erreicht,
nimmt er ansprechend auf eine weitere Steigerung des elektrischen
Signals "S" nicht weiter zu,
weil die Kraft des Elektromagneten 44 gegen die vorgespannte
Vorspannkraft der Feder 80 wirkt, und das Proportionalventil 38 sich
nicht bewegt. Zu diesem Zeitpunkt betreibt der Verdrängungsveränderungsmechanismus 26 die
Pumpe 14 mit ihrer maximalen Verdrängung. Die vorgespannte Vorspannkraft
der Feder 80 kann variieren, wie erwünscht.
-
Das
Signal "S", welches zu dem
Elektromagneten gesandt wird, kann für eine spezielle Pumpe durch
einen Test oder einen Betrieb der Pumpe bestimmt werden. Eine solche
Bestimmung bezieht die Bestimmung der inhärenten Charakteristiken der Pumpe
ein, die durch Merkmale beeinflusst werden, wie beispielsweise die
Taumelplattenkräfte
bzw. Schwenkkräfte,
die Zentrierungsfeder und Geräusche.
Wie in 4 gezeigt, können
die Pumpenverdrängung,
der Pumpendruck, Drehmomentgrenzen und andere Merkmale, die die
Pumpencharakteristiken einer speziellen Pumpe definieren, durch
Test oder Betrieb der Pumpe bestimmt werden. Diese Merkmale können sich
mit der Zeit verändern.
Sobald die Pumpencharakteristiken bestimmt sind, kann auch die Beziehung
zwischen der Pumpenverdrängung
und dem elektrischen Signale "S" bestimmt werden,
und das elektrische Signal "S" zum Erreichen einer
erwünschten
Pumpenverdrängung
kann genau berechnet werden.
-
In
dem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird
die Pumpenverdrängung
für unterschiedliche Amplituden
des Signals "S" bewertet, die an
dem Elektromagneten angelegt werden, und Referenzpunkte für die Pumpenverdrängung und
das Signal werden erzeugt. Sobald eine ausreichende Anzahl von Referenzpunkten
erzeugt ist, kann das notwendige Signal, um eine erwünschte Pumpenverdrängung zu
erreichen, durch Interpolation erhalten werden und im Speicher gespeichert
werden.
-
Um
die Charakteristiken der Pumpe 14 zu bestimmen kann die
Pumpe 14 betrieben werden, wobei der Pumpendrehzahlsensor 13,
der Pumpendrucksensor 15 und Lastdrucksensor 17 mit
der Pumpensteuereinheit 83 während eines Testbetriebs der
Pumpe gekoppelt sind. Während
des Testbetriebs der Pumpe 14 messen der Pumpendrehzahlsensor 13,
der Pumpendrucksensor 15 und der Lastdrucksensor 17 jeweils
die Drehzahl der Pumpe 14, den Strömungsmitteldruck am Auslassanschluss 20 und
den Strömungsmitteldruck
an der Last 12. Diese Messungen werden an die Pumpensteuereinheit 83 gesandt,
um die Pumpencharakteristiken der Pumpe 14 zu bestimmen.
Die Pumpencharakteristiken können
beispielsweise die Beziehung zwischen dem Pumpendruck und dem Strömungsmittelfluss bei
unterschiedlichen Steuerdrücken
darstellen. Die Pumpencharakteristiken werden im Speicher 85 in der
Pumpensteuereinheit 83 gespeichert. Basierend auf den Pumpencharakteristiken
bestimmt die Pumpensteuereinheit 83 die Beziehung zwischen
dem elektrischen Signal zum Proportionalelektromagneten 44 und
der Pumpenverdrängung
der Pumpe 14, und liefert eine spezielle Amplitude des
elektrischen Signals "S" zum Elektromagneten 44,
um die Verdrängung
der Pumpe 14 zu steuern. Weil sich die Charakteristiken
einer Pumpe verändern
können, wenn
sich die Pumpe abnutzt, können
die oben beschriebenen Schritte der Bestimmung der Charakteristiken
der Pumpe ausgeführt
werden, um die alten Daten im Speicher mit neueren Daten zu ersetzen, falls
erwünscht.
-
Die
Pumpensteuereinheit 83 kann auch die Pumpenverdrängung der
Pumpe 14, dem Steuerdruck, die Strömungsmitteltemperatur und die
Pumpen-U/min (Umdrehungen pro Minute) überwachen, um die Genauigkeit
des elektrischen Signals "S" zu verbessern. Darüber hinaus
können
Kalibrierungsgrenzen für
die Pumpenverdrängung,
Steuerdruck, die Strömungsmitteltemperatur
und die Pumpenumdrehungen pro Minute vorbestimmt werden, und die Pumpensteuereinheit 83 kann
tatsächliche
Messungen der Pumpenverdrängung,
des Steuerdrucks, der Strömungsmitteltemperatur
und der Pumpenumdrehungen pro Minute mit ihren erwünschten
Werten vergleichen. Wenn die tatsächlichen Messungen von dem
erwünschten
Wert abweichen, kann die Pumpensteuereinheit 83 ein Systemservice-Warnsignal liefern.
-
Der
Betrieb des in 2 veranschaulichten Regelungssystems
(closed loop) 88 wird im Folgenden beschrieben. Eine geeignete
Pilot- bzw. Vorsteuerversorgungsquelle ist mit der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 verbunden.
Der Betrieb der Proportionalelektromagnetventilanordnung 36 ist der
gleiche, wie oben für
das Steuerungssystem 10 beschrieben, und seine Erklärung wird
nicht wiederholt.
-
Wenn
der Betrieb der Pumpe 90 ohne das elektrische Signal "S" an den Proportionalelektromagneten 44 eingeleitet
wird, wird unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Pumpe 90 zum
hydrostatischen Motor 92 geleitet. Der anfängliche
Fluss des Strömungsmittels
von der Pumpe 90 zum hydrostatischen Motor 92 beginnt,
den Motor 92 anzutreiben. Der Widerstand, der vom Motor 92 erzeugt
wird, erzeugt einen Druck in der Versorgungsleitung 94. Beim
anfänglichen
Start der Pumpe 90 ist die Betätigungsvorrichtung 96 zu
der Position mit minimaler Verdrängung
durch Federn 105 vorgespannt, und das Proportionalventil 108 liegt
auf der ersten Position durch den Federvorspannmechanismus 122.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Pumpe 90 in der Position für minimale
Verdrängung
in der Vorwärts-Richtung betrieben.
-
Wenn
das elektrische Signal "S" von der Pumpensteuereinheit 83 zum
Elektromagneten 44 vergrößert wird, fließt das unter
Druck gesetzte Strömungs mittel
von der Pumpe 90 zum Drei-Wege-Proportionalventil 38 und
dem Vier-Wege-Proportionalventil 108 zur
ersten Kammer 100 der Betätigungsvorrichtung 96.
Das Strömungsmittel
in der zweiten Kammer 102 der Betätigungsvorrichtung 96 fließt heraus
zum Reservoir 18 durch das Ventil 108, was somit
die Verdrängung
der Pumpe 90 in der Vorwärts-Richtung vergrößert.
-
Um
die Richtung der Pumpe 90 umzukehren, sendet die Steuereinheit 83 das
elektrische Signal "S" zum Elektromagneten 127,
um das Vier-Wege-Proportionalventil 108 zur
zweiten Position zu bewegen. Das unter Druck gesetzte Strömungsmittel von
der Pumpe 90 fließt
dann durch das Drei-Wege-Proportionalventil 38 und
das Vier-Wege-Proportionalventil 108 zur zweiten Kammer 102 der
Betätigungsvorrichtung 96.
Das Strömungsmittel
in der ersten Kammer 100 der Betätigungsvorrichtung 96 fließt nach
außen
zum Reservoir 18 durch das Ventil 108, was somit
die Richtung der Pumpe 90 umkehrt.
-
Somit
sieht die vorliegende Erfindung ein vereinfachtes System zur genauen
Steuerung der Verdrängung
einer Pumpe mit variabler Verdrängung vor.
Darüber
hinaus ist das Verdrängungssteuersystem
dahingehend vorteilhaft, dass es relativ einfach und kostengünstig herzustellen
ist.
-
Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem elektrohydraulischen Pumpensteuersystem der
vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen, wie er von den beigefügten Ansprüchen definiert wird.