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Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerungsvorrichtungen für Stellglieder. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerungsvorrichtung für ein Stellglied einer Baumaschine.
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In konventionellen Schaltungen von beispielsweise Hydraulikzylindern ist die Gewährleistung
eines stabilen und unterbrechungsfreien Betriebs nachgewiesenermaßen hochproblematisch. Diese
Schwierigkeiten werden durch die speziellen Zwänge, die für den Betrieb von
Hochgeschwindigkeitsmotoren gelten, noch verstärkt. Bei den bisher unternommenen Versuchen zur Lösung dieser
Probleme wurde mit Schaltungen bereits bekannter Konfigurationen gearbeitet.
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In Fig. 5 ist ein Beispiel einer solchen konventionellen Schaltung abgebildet. Eine
Ölversorgungsleitung 13 wird an den Abflußanschluß einer Hauptpumpe 12 angeschlossen, die durch
einen Motor 11 angetrieben wird. Der Motor 11 ist mit mehreren Wegeventilen, den Ventilen 14a,
14b und 14c, ausgestattet.
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Die Betriebsflüssigkeit gelangt über die Ölversorgungsleitung 13 zu den Stellgliedern 15a, 15b
und 15c. Die Fließrichtung der Flüssigkeit wird durch die jeweiligen Spulen der Regelventile 14a, 14b
und 14c gesteuert. Die von den Stellgliedern 15b und 15c abfließende Betriebsflüssigkeit kehrt zurück
zu einer Behälterleitung 15, fließt durch eine Ölrücklaufleitung und passiert die Regelventile 14a, 14b
und 14c.
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Das Stellglied 15a, ein Hydraulikzylinder, ist der zu steuernde Targetzylinder. Das Spulenventil
14a regelt den Targetzylinder 15a. Mehrere Vorsteuerventile, die Ventile 19a, 19b und 19c, sind an
eine Ölversorgungsleitung 18 zur Regelung des Vorsteuerdrucks angeschlossen.
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Die Ölleitung 18 ist an einen Ablaßanschluß einer Vorsteuerpumpe 17 angeschlossen, welche
über den Motor 11 auf dieselbe Art und Weise wie die Hauptpumpe 12 betrieben wird.
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Die Vorsteuerventile 19a, 19b und 19c sind jeweils mit einem die Ventilöffnung regelnden
Bedienhebel versehen. Diese jeweils mit den Ventilen 19a, 19b und 19c verbundenen Hebel werden
durch den Bediener der Baumaschine gesteuert.
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Die Vorsteuerleitungen a1/a2, b1/b2 und c1/c2 sind mit den entsprechenden Vorsteuerventilen
19a, 19b und 19c verbunden. Darüber hinaus sind die Vorsteuerleitungen a1/a2, b1/b2 und c1/c2 an
die Vorsteuerdruck-Eingangsbereiche der Spulen der entsprechenden Regelventile angeschlossen.
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Während des Betriebs ist der Bedienungshebel des Vorsteuerventils 19a auf die Richtung a1
eingestellt, so daß die Zylinderspule 14a über die Vorsteuerleitung a1 von der Neutralposition aus
geschaltet wird (wie in der Zeichnung dargestellt). Diese Bewegung des Vorsteuerventils 19a in die
Arbeitslage (zur unteren Ölversorgungsleitung) bewirkt, daß die Betriebsflüssigkeit von einer
Öldosierleitung 21 durch eine Ölversorgungsleitung 22 zum Kopfende eines Targetzylinders 15a
fließt.
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Gleichzeitig wird im Ergebnis der Expandierung des Targetzylinders 15a über eine
Ölrücklaufleitung 23 Öl zur Zylinderspule 14a zurück- und zur Behälterleitung 16 abgeführt. Die Rückführung
des Öl erfolgt über eine Rücklaufleitung 23 zur Zylinderspule 14a, wobei die Durchflußmenge durch
eine Absperrdrossel 25 gesteuert wird. Die Absperrdrossel 25 befindet sich in einer Öldosierleitung
24, an der Arbeitsposition der Spule.
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Die Absperrdrossel 25 wurde speziell für die Steuerung der Zylinderspule 14a angebracht.
Obwohl der Drosselwiderstand der Absperrdrossel 25 durch die Regelung des Spulenhubs eingestellt
werden kann, ist die Zylinderspule 14a bei einem vollen Spulenhub in der Regel fixiert. Der Grund
hierfür liegt darin, daß das von der Hauptpumpe 12 kommende, unter Druck befindliche Öl
vollständig über die Öldosierleitung 21 zum Targetzylinder 15a geführt wird. In Ergebnis dessen wird die
Öldosierleitung 21 vollständig geöffnet, und eine Nebenölleitung 26 geschlossen. Dies führt dazu, daß
die Absperrdrossel 25 konstant auf einem festgelegten Niveau geöffnet bleibt.
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Die von der Hauptpumpe 12 gelieferte Ölzuflußmenge ist proportional zur
Drehgeschwindigkeit des Motors 11. Damit ist ungeachtet von der Ölzuflußmenge der Hauptpumpe die
Hubsteuerung der Zylinderspule 14a im Verhältnis zur Einstellung des Bedienungshebels immer
konstant.
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In Fällen einer verringerten Motordrehzahl oder eines Betriebs einer anderen Stehspule oder
der Spulen 14b bzw. 14c kommt es zu einem ähnlichen Effekt wie bei einer relativen Vergrößerung
der Öffnung der Absperrdrossel 25. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Öffnung der
Absperrdrossel 25 bei einer Einstellung der Zylinderspule 14a auf Vollhub konstant ist. Dies ist auch bei einer
unzureichenden Pumpenölversorgung der Fall.
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Wenn unter diesen Bedingungen die Trägheits- oder Gravitationslast des Targetzylinders 15a
übermäßig groß ist, ist die Geschwindigkeit des Zylinders im Vergleich zur Menge der Ölversorgung
überproportional hoch. In einem solchen Falle ist es möglich, daß der Targetzylinder geleert wird.
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Außerdem kann es zu einem vorübergehenden Anhalten des Zylinders und zu einem instabilen
Betrieb kommen. Eine solche mangelhafte Betriebszuverlässigkeit kann bei den Bedienern der
Maschine große Unzufriedenheit hervorrufen.
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Wenn im Sinne einer Beseitigung dieser Nachteile die Fläche der Absperrdrossel einfach
verkleinert wird, kann des zeitweilige Anhalten des Systems während des Betriebs verhindert werden.
Dies erfolgt bei einer geringen Motordrehzahl oder bei einer Verknüpfung mit anderen Stellgliedern.
Wenn jedoch der Targetzylinder 15a bei hoher Motordrehzahl allein betrieben wird, führt dies dazu,
daß der Absperrschieber 25 eine große Ölmenge zurückhält, und es kommt zu enormen
Wärmeverlusten.
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Die EP 0 331 076-A1 legt ein System offen, in dem eine Absperrdrossel eines Stellgliedes
zusätzlich noch durch die Position des Vorsteuerventils seines Dosierkreises gesteuert wird. Auch
dadurch können jedoch die Probleme, zu denen es aufgrund eines gleichzeitigen Betriebs mehrerer
Stellglieder oder aufgrund niedriger Motordrehzahlen kommt, nicht beseitigt werden.
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Zur Lösung des oben beschriebenen Problems beschreibt die vorliegende Erfindung eine
Möglichkeit einer verbesserten Einstellung der Öffnung der Ölrückführungsleitung eines
Target-Stell
gliedes. Damit werden die Trägheitslast und die Leistungslast gesteuert, und ein Ausfall des Target-
Stellgliedes wird verhindert. Darüber hinaus wird damit der kalorische Wert (bzw. die pro
Masseeinheit aufgrund der vollständigen Verbrennung produzierte Hitze) der Ölleitung vermindert.
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Dementsprechend bezweckt die vorliegende Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung für ein
Stellglied einer Baumaschine anzugeben, mit der die Öffnung der Ölrückführungsleitung eines
Target-Stellgliedes geregelt werden soll.
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Darüber hinaus bezweckt die vorliegende Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung für ein
Stellglied einer Baumaschine anzugeben, mit der die Trägheitslast und die Leistungslast gesteuert
werden können.
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Außerdem bezweckt die vorliegende Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung für ein Stellglied
einer Baumaschine anzugeben, mit der der Ausfall des Target-Stellgliedes verhindert und der
kalorische Wert der Ölleitung reduziert werden kann.
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Zusammengefaßt ausgedrückt, bezweckt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur
Steuerung eines Stellgliedes einer Baumaschine mit Hilfe von Wegeventilen, die durch entsprechende
Einstellhebel so gesteuert werden, daß es nicht zum Ausfall eines Target-Stellgliedes, dessen
Trägheitslast und die Leistungslast gesteuert werden sollen, kommt, und daß die in der
Ölrückführungsleitung erzeugte Wärme durch die Steuerung der Größe der Öffnung in dieser Leitung
vermindert wird.
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Dementsprechend bezweckt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung eines
Stellgliedes einer Baumaschine, ausgestattet mit mehreren Stellgliedern bzw.
Steuerungsvorrichtungen für Stellglieder, einem Dosierkreis, der an jede dieser besagten
Steuerungsvorrichtungen angeschlossen ist, einer Signalleitung zur Überwachung des Betriebszustands der
entsprechenden Steuerungsvorrichtungen für Stellglieder, einem zwischen dem zu steuernden
Stellglied und einer Behälterleitung befindlichen Dosierkreis und einer einstellbaren Drossel, die
entsprechend den Signalen von den jeweiligen Signalleitungen gesteuert wird. Die Erfindung ist darüber
hinaus gekennzeichnet durch weitere Instrumente zur Steuerung der besagten Drossel in Abhängigkeit
von der Drehzahl eines Motors, der die Hydraulikquelle antreibt und dem Betriebszustand der
Steuerungsvorrichtungen der anderen Stellglieder.
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Die oben genannten und weitere Zweckbestimmungen, Merkmale und Vorzüge der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung der
Erfindung offensichtlich.
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Fig. 1 ist das Schaltbild einer Hydraulikschaltung einer Steuerungsvorrichtung für ein Stellglied
einer Baumaschine entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 ist die Diagrammdarstellung einer Kennlinie, aus der der Zusammenhang zwischen der
Größe der Öffnung eines in der Steuerungsvorrichtung verwendeten Dosierventils und dem
Spulenhub sowie der Zusammenhang zwischen dem besagten Spulenhub und dem Vorsteuerdruck
entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hervorgeht.
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Fig. 3 ist ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen den externen Signalen, die den.
Vorsteuerdruck am Dosierventil repräsentieren, und der Betriebsstellung eines Bedienhebels für einen
Targetzylinder entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hervorgeht.
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Fig. 4 ist ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen dem Enddruck bezüglich des
oben dargestellten Vorsteuerdrucks und der Motordrehzahl hervorgeht und das auch den
Zusammenhang zwischen dem Enddruck und der Maximalstellung der Bedienungshebel zur
Steuerung der anderen Stellglieder entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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Fig. 5 ist das Schaltbild einer Hydraulikschaltung einer Steuerungsvorrichtung für ein Stellglied
einer Baumaschine entsprechend dem aktuellen Stand der Technik.
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Bezugnehmend auf Fig. 1, ist eine Ölleitung 23 eines Targetzylinders 15a, bei dem es sich um
das zu steuernde Stellglied handelt, mit einem Absperrventil 31 ausgestattet. Die Ölleitung 23 enthält
darüber hinaus ein Dosierventil 32, das sich zwischen einem Punkt an der Ölleitung 23 und einer
Behälterleitung 16 befindet.
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Das Dosierventil 32 wird durch einen Ausgleich zwischen der Druckkraft einer Feder 34 und
externen Signalen (die beispielsweise über die externe Signalleitung 33 Informationen zum
Vorsteuerdruck Pi übertragen) gesteuert. Die externen Signale werden separat über eine Leitung zur Steuerung
des Hubs der Spule eines Wegeventils 14a übertragen.
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Das Wegeventil 14a steuert den Targetzylinder 15a, dessen Spule im folgenden als
Zylinderspule 14a bezeichnet wird.
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Im Unterschied zu einer auf konventionelle Weise befestigten Drossel (wie es beispielsweise
die in Fig. 5 dargestellte Absperrdrossel ist) ist die Öffnung des Dosierventils 32 in der vollständig
geöffneten Position ausreichend groß.
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Die Drosselposition des Dosierventils 32 kann darüber hinaus bei mittlerem Spulenhub variabel
eingestellt werden. Die Drossel ist vollständig geschlossen, wenn das Ventil 32 durch die Feder 34
geschlossen wird. Das Dosierventil 32 wird durch die Feder 34 immer dann geschlossen, wenn der
Vorsteuerdruck Pi nicht anliegt.
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Folglich besteht keine Notwendigkeit, eine Drossel einzubauen, die der in Fig. 5 als Beispiel
für eine konventionelle Schaltung dargestellten Öldosierleitung 24 der Zylinderspule 14a ähnelt, denn
die Drosselposition des Dosierventils 32 ist einstellbar, und ein Zurückfließen des Öls wird durch das
Absperrventil 31 verhindert. Aus diesem Grund ist die Dosierleitung 24 nicht mit einer Drossel
versehen.
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Da eine von einem Dosierventil 32 kommende Rücklaufleitung 35 direkt mit der
Behälterleitung 16 verbunden ist und das Öl über die Rücklaufleitung zum Behälter zurückfließen kann, ist
eine Rückführung des Öls zur Zylinderspule 14a nicht erforderlich.
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Zwischen einer Ölversorgungsleitung zur Regelung des Vorsteuerdrucks, die von einer
Vorsteuerpumpe 17 abgeht, und einer externen Signalleitung 33 eines Dosierventils 32 ist eine
Vorsteuerdruck-Regeleinrichtung 41 vorgesehen, die das Dosierventil 32 entsprechend der Stellung
der Bedienungshebel durch externe Signale steuert (Vorsteuerdruck Pi).
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Zur Vorsteuerdruck-Regeleinrichtung 41 gehören eine Signalleitung 42, die die Stellung des
Bedienungshebels eines Vorsteuerventils 19a für den Targetzylinder erkennt und weiterleitet,
Signalleitungen 43/44, die die Stellung der Bedienungshebel der Vorsteuerventile 19b bzw. 19c der anderen
Stellglieder erkennen und weiterleiten, sowie eine Signalleitung 46, welche die von einem (an einem
Motor 11 angebrachten) Drehzahlabnehmer 45 erkannte Motordrehzahl weiterleitet. Die Funktion der
Vorsteuerdruck-Regeleinrichtung, oder, anders ausgedrückt, die Methode der Verarbeitung der über
diese Signalleitung eingehenden Informationen, wird weiter unten noch näher beschrieben.
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Im folgenden wird auf der Grundlage der in Fig. 1 gegebenen Darstellung die Funktion der
Hydraulikschaltung näher beschrieben. Wenn die Zylinderspule über die Vorsteuerleitung a1 von der
in der Zeichnung dargestellten Neutrallage durch ein Verschieben des Bedienungshebels des
Vorsteuerventils 19a in Richtung a1 in die vorgeschobene Position (die untere Ölleitung) verschoben
wird, wird Betriebsflüssigkeit von einer Öldosierleitung 21 über eine Ölversorgungsleitung 22 in das
Kopfende eines Targetzylinders 15a eingespeist.
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Gleichzeitig fließt das während der Expandierung des Targetzylinders an der Kolbenseite
herausgedrückte Öl durch das Dosierventil 32, dessen Schaltung und Einstellung auf die
Drosselposition oder die vollständig geschlossene Position durch die Vorsteuerdruck-Ausgangssignale Pi
erfolgt, welche von der Vorsteuerdruck-Regeleinrichtung entsprechend der Operation des
Vorsteuerventils 19a abgegeben werden, und vom Dosierventil 32 wird das Öl durch die Rücklaufleitung 35 in
die Behälterleitung 16 abgeleitet.
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Wenn die Zylinderspule 14a über die Vorsteuerleitung a2 aus der in der Zeichnung
dargestellten Neutralposition in die kontrahierte Position (und damit die obere Ölleitung) verschoben
wird, indem der Bedienungshebel des Vorsteuerventils 19a in Richtung a2 verschoben wird, fließt die
von der Zylinderspule 14a in die Ölleitung 23 eingespeiste Betriebsflüssigkeit durch das
Absperrventil 31 und von dort aus direkt in den kolbenseitigen Anschluß des Targetzylinders 15a, der
damit wieder in den Kontraktionsmodus gebracht wird. Während dieses Kontraktionsmodus wird das
an einem kopfseitigen Anschluß des Targetzylinders 15a herausgedrückte Öl über die Ölleitung 22
und die Zylinderspule 14a zu einer Behälterleitung 16 geführt.
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Nachfolgend werden das Dosierventil 32 und die Vorsteuerdruck-Regeleinrichtung 41, die
beide in den Erläuterungen zu den Fig. 2 und 4 weiter oben erwähnt werden, näher erläutert. Wie
bereits weiter oben dargestellt, illustriert Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Größe der
Spulenöffnung des Dosierventils und dem Vorsteuerdruck.
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Auf ähnliche Art und Weise illustriert Fig. 3 den Zusammenhang zwischen den externen
Signalen, welche ihrerseits den Vorsteuerdruck Pi repräsentieren, der mit dem oben erwähnten
Vorsteuerdruck korrespondiert, einerseits, und der Betriebsstellung des Bedienungshebels des
Vorsteuerventils 19a, das zur Regelung des Targetzylinders dient, andererseits.
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Auch Fig. 4 illustriert den Zusammenhang zwischen dem Enddruck, der hinsichtlich des
Vorsteuerdrucks Pi vorliegt, und der durch den Drehzahlabnehmer 45 erkannten Motordrehzahl,
sowie den Zusammenhang zwischen der Maximalstellung der Bedienungshebel der Vorsteuerventile
19b/19c, welche die anderen Stellglieder regeln, und dem Enddruck.
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Um es mit Bezug auf die Fig. 2 und 4 noch einmal zu wiederholen: Wenn der mit einem
Dosierventil 32 ausgestattete Targetzylinder 15a allein betrieben wird, liegt die Betriebsstellung der
anderen Stellglieder bei Null. Folglich entspricht der im rechten Diadamm von Abb. 4 auf der
durchgehenden Linie, die charakteristische Werte des Enddrucks repräsentiert, dargestellte
Maximalwert, dem tatsächlich anliegenden Enddruck, und ein Wert, der auf der oberen Linie (Linie I) die
Enddrücke entsprechend einer beliebigen Motordrehzahl repräsentiert, ist in Fig. 3 als Enddruck
dargestellt.
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Wenn die anderen Stellglieder 15b/15c gleichzeitig bedient werden, verändert sich der
Enddruck entsprechend der Stellung der Bedienungshebel so, daß er sich leicht von der in Fig. 4
dargestellten Linie I zur Linie II verschiebt.
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Die beiden Anschlußpunkte D' und G' auf der oberen Grenzwertlinie (Linie I) und der unteren
Grenzwertlinie (Linie II) der Enddrücke sind dabei etwas größer als der in Fig. 3 dargestellte untere
Grenzwert (Druck C) der Hebelmodulation.
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Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 auf das Steuerverfahren und die
Funktion des Dosierventils entsprechend der vorliegenden Erfindung eingegangen werden.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann ausgeführt werden, daß der Bedienhebel des
Vorsteuerventils 19a für den Targetzylinder innerhalb des Modulationsbereichs zwischen den Hebelpunkten E
und F betrieben wird, um den Vorsteuerdruck Pi zwischen dem Druckpunkt C, der identisch mit dem
Ventilöffnungsdruck des Dosierventils 32 ist, und dem Druckpunkt D, der identisch mit dem Druck
bei vollständiger Öffnung ist, zu steuern.
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Zu dieser Zeit, d. h., in allen Fällen, in denen die Motordrehzahl bei auf vollem Anschlag (also
auf den Punkt F) eingestellten Bedienungshebel für den Targetzylinder 15a niedrig wird, wird der
Maximalwert für den in Fig. 3 dargestellten Vorsteuerdruck durch den mittels der Linie I in Fig. 4
dargestellten Enddruck begrenzt. In Fällen, in denen die Motordrehzahl niedrig ist und ein anderes
Stellglied bzw. andere Stellglieder über ihre jeweiligen Bedienhebel bedient werden, wird der
Maximalwert des dargestellten Vorsteuerdrucks Pi ebenfalls durch einen Enddruck begrenzt, der
entweder durch die Linie II aus Fig. 4 oder zwischen den Linien I und II verlaufende Kennlinien
bestimmt wird. Deshalb wird das Dosierventil 32 nicht vollständig geöffnet, sondern in der
Drosselposition, die dem in Fig. 2 dargestellten Enddruck entspricht, gehalten, wodurch folglich ein Ausfall
der Targetzylinders 15a, der anderenfalls durch einen zu niedrigen Betriebsflüssigkeitsstand
verursacht werden könnte, verhindert wird.
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Wenn die Motordrehzahl hoch und keines der anderen Stellglieder 15b/15c in Betrieb ist,
befindet sich der Grenzwert bei Punkt D und ist identisch mit dem bei vollständiger Öffnung
anliegenden Druck, wenn das Dosierventil 32 vollständig geöffnet ist. Da der ungedrosselte
Durchfluß einer großen Menge Öl gewährleistet ist, besteht nicht die Gefahr übermäßiger Wärmeverluste.
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Die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Figuren ist so zu verstehen, daß die Erfindung nicht allein auf diese Ausführungsformen
beschränkt ist, und daß daran durch einen in diesem Fach Ausgebildeten noch verschiedene
Veränderungen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der Rahmen des äußeren oder
gedanklichen Inhalts, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, überschritten wird.