Claims (7)
Elektro-hydraulische StelleinheitElectro-hydraulic actuator
Die Neuerung betrifft eine elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesondere
zur Steuerung von Baumaschinen, mit einem verschiebbaren Hauptkolben, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer vorgesehen ist, die
über elektromagnetisch betätigbare Steuermittel mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar sind.The innovation relates to an electro-hydraulic actuating unit, in particular
for controlling construction machinery, with a movable main piston, on each of whose two front sides a control chamber is provided, which
can be pressurized or relieved of pressure medium via electromagnetically actuated control means.
Durch die DE-OS 35 27 026 ist eine gattungsbildende elektro-hydraulische
Stelleinheit bekannt, die ein verschiebbares kolbenartiges Teil, insbesondere
einen Steuerschieber aufweist, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer angeordnet ist, die über Steuermittel zwecks Verschieben des
Teiles mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar ist. Das Steuermittel ist ein jeder Steuerkammer zugeordnetes, elektromagnetisch betätigbares
Steuerventil, das über eine mechanische Rückführung auf das Steuerventil einwirkt. Die mechanische Rückführung ist hierbei als Feder ausgebildet,
die sich jeweils an den einander zugewandten Stirnseiten von verschiebbarem Teil und Steuerventil abstützt. Für den kolbenartigen Teil
sind weitere Zentrierfedern vorgesehen. Durch diese Stelleinheit soll eine Rückführung zur Lageregelung des verschiebbaren Teiles erzielt werden,
wobei die Einstellung besonders genau sein soll. Die Steuerventile sind hierbei als 3/2-Wegeventile ausgebildet.DE-OS 35 27 026 discloses a generic electro-hydraulic actuating unit which has a movable piston-like part, in particular a control slide, on each of whose two front sides a control chamber is arranged which can be pressurized or relieved of pressure via control means for the purpose of moving the part. The control means is an electromagnetically actuated control valve assigned to each control chamber which acts on the control valve via a mechanical feedback. The mechanical feedback is designed as a spring which is supported on the facing front sides of the movable part and the control valve. Additional centering springs are provided for the piston-like part. This actuating unit is intended to achieve a feedback for controlling the position of the movable part, whereby the adjustment should be particularly precise. The control valves are designed as 3/2-way valves.
Nachteilig ist an dieser Stelleinheit festzustellen, daß aufgrund der
Wechselwirkung von Magnetkraft und Federkraft am Ventil ein Druck eingestellt wird (nach dem Stromteilerprinzip), der über die Fläche des verschiebbaren
Teiles als Verstellkraft wirkt. Daraus folgt, daß bei konstanter proportionaler Magnetkraft der Steuerdruck nur noch in Abhängigkeit
der Kolbenschieberstellung eingestellt wird, d.h. es gibt bei einer Schieberstellung nur genau einen Einstellwert. Da aber die auftretenden
Störgrößen, welche den Kolbenschieber verstellen in großer Bandbreite auftreten, muß bei konstanter Magnetkraft auch der Steuerdruck in großer
Bandbreite einstellbar sein, um den Kolben lagegeregelt positionieren zu können. Darüber hinaus weist diese Stelleinheit einen schlechten Wirkungsgrad
auf, da der Steuerölvolumenstrombedarf hoch ist aufgrund der Stromteilerfunktion
zur Steuerdruckerzeugung. Ferner ist ein hoher Steuerdruckbedarf vonnöten, da der Hauptkolben gegen eine Feder verstellt wird.
Infolge des ständig anstehenden Druckes ist mit hohen Leistungsverlusten durch das umlaufende Öl zu rechnen.The disadvantage of this actuator is that due to the interaction of magnetic force and spring force, a pressure is set on the valve (according to the flow divider principle), which acts as an adjustment force over the surface of the movable part. This means that with a constant proportional magnetic force, the control pressure is only set depending on the piston slide position, i.e. there is only one setting value for a slide position. However, since the disturbances that adjust the piston slide occur over a wide range, the control pressure must also be adjustable over a wide range with a constant magnetic force in order to be able to position the piston in a position-controlled manner. In addition, this actuator has a poor efficiency because the control oil volume flow requirement is high due to the flow divider function for generating control pressure. Furthermore, a high control pressure requirement is necessary because the main piston is adjusted against a spring. As a result of the constant pressure, high power losses due to the circulating oil are to be expected.
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Ziel des Neuerungsgegenstandes ist die Weiterbildung der im gattungsbildenden
Teil des ersten Schutzanspruches beschriebenen elektro-hydraulischen
Steuereinheit dahingehend, daß ein geschlossener Lageregelkreis gebildet wird, der auch bei auftretenden Störgrößen, wie Strömungskräften,
Druckänderungen und dgl. bei hoher Einstellgenauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit
von Position und Geschwindigkeit der zu steuernden Bauteile aufrecht erhalten werden kann.The aim of the innovation is to further develop the electro-hydraulic control unit described in the generic part of the first protection claim in such a way that a closed position control loop is formed which can be maintained even in the event of disturbances such as flow forces, pressure changes and the like with high setting accuracy or reproducibility of the position and speed of the components to be controlled.
Dieses Ziel wird neuerungsgemäß erreicht durch ein einziges mittels zweier
Elektro-Magnete betätigbares Steuermittel in Form eines Vorsteuerventils,
das mit dem Hauptkolben im wesentlichen in Reihe angeordnet ist sowie mindestens einen Weg-Kraft-Wandler, der in Wirkverbindung mit dem
Hauptkolben und dem Kolben des Vorsteuerventils steht.This aim is achieved in accordance with the innovation by a single control means in the form of a pilot valve that can be actuated by means of two electromagnets and is arranged essentially in series with the main piston, as well as at least one displacement-force converter that is operatively connected to the main piston and the piston of the pilot valve.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Neuerungsgegenstandes sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.Advantageous further developments of the subject matter of the innovation can be found in the subclaims.
Gegenüber dem St.d.T. werden durch den Neuerungsgegenstand folgende Vorteile
erzielt:Compared to the St.d.T., the innovation achieves the following advantages:
- hohe Stellgenauigkeit von Hydrauliksystemen bei robuster, unempfindlicher
Ausführung des Regelkreises- high positioning accuracy of hydraulic systems with a robust, insensitive design of the control circuit
- Optimierung des Energiehaushaltes- Optimization of energy balance
- Verwendung geringerer Anzahl von Steuermitteln- Use of fewer tax resources
- kein Ölumlauf im ausgeregelten Zustand- no oil circulation in the regulated state
- störgrößenunabhängige Positioniergenauigkeit des Hauptkolbens- disturbance-independent positioning accuracy of the main piston
- Erhöhung der Feinsteuerbarkeit.- Increased fine controllability.
Der Einsatzbereich des Neuerungsgegenstandes betrifft im wesentlichen die
Ansteuerung von Hydro-Zylindem und Hydro-Motoren im stationären Industriebereich,
wobei ein bevorzugtes Anwendungsgebiet durch den mobilen Baumaschinenbereich gebildet wird.The area of application of the innovation essentially concerns the
control of hydraulic cylinders and hydraulic motors in the stationary industrial sector,
with a preferred area of application being the mobile construction machinery sector.
Die Neuerung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung
dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:The innovation is shown using an example in the drawing
and is described as follows. Shown are:
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Figur 1 - BlockschaltbildFigure 1 - Block diagram
Figur 2 - Prinzipskizze der Anordnung bzw. Verknüpfung der neuerungsgemäßen
Stelleinheit.Figure 2 - Schematic diagram of the arrangement and connection of the new control unit.
In Figur 1 ist anhand eines Blockschaltbildes der geschlossene Regelkreis
dargestellt. Die eingefügten Buchstaben werden nachstehend aufgelistet:Figure 1 shows the closed control loop using a block diagram. The inserted letters are listed below:
s = Weg des Hauptkolbenss = travel of the main piston
A = Additionsstelle Magnet + FederA = Addition point magnet + spring
FStör = Störkräfte auf den Hauptkolben F Disturbance = Disturbance forces on the main piston
Fst = StellkräfteF st = Actuating forces
PSt = SteuerdruckPSt = control pressure
F = Kraftdifferenz am SteuerkolbenF = force difference on the control piston
Fr = Kraft der Regel federFr = force of the rule spring
Fi = Kraft des ProportionalmagnetenFi = force of the proportional magnet
Die Funktion des Lageregel kreises stellt sich wie folgt dar:
der Sollwert wird über den Wandler I/Fj auf die Additionasstelle A in
physikalischer Form der Kraft Fj geführt und wird mit der Kraft Fr des
Wanderls s/Fr verrechnet. Ergibt sich aus dieser Rechnung eine Regeldifferenz,
so wird über den Wandler F/p$t und den Wandler Pst/^St der Kolben
verstellt, so daß dieser einen Weg s zurücklegt, bis der Wandler s/Fr eine Kraft eingestellt hat, welche die gleiche absolute Größe besitzt,
wie die des Wandlers I/Fj, was aufgrund der verschiedenen Vorzeichen der
Kräfte Fj und Fr als Ergebnis die Kraft F=O ergibt und somit der Kolben
lagegeregelt positioniert ist.The function of the position control loop is as follows:
the setpoint is fed via the converter I/Fj to the addition point A in
the physical form of the force Fj and is offset against the force Fr of the converter s/Fr. If this calculation results in a control difference,
the piston is adjusted via the converter F/p$t and the converter Pst/^St so that it travels a distance s until the converter s/Fr has set a force that has the same absolute value as that of the converter I/Fj, which, due to the different signs of the forces Fj and Fr, results in the force F=0 and thus the piston is positioned in a position-controlled manner.
Wirken Kräfte fstör auf den Kolben ein, so legt dieser den Weg s zurück
und verändert über den Wandler s/Fr die Werte an der Additionsstelle A in der Form, daß über die Wandler F/p$t und p$t/F$t eine Kraft erzeugt wird,
welche der Kraft F$tör in gleicher absoluter Größe entgegenwirkt, bis der
Kolben wieder positioniert ist.If forces fstör act on the piston, the piston travels the distance s and changes the values at the addition point A via the converter s/Fr in such a way that a force is generated via the converters F/p$t and p$t/F$t, which counteracts the force F$ tör in the same absolute magnitude until the piston is repositioned.
Anhand des Blockschaltbildes wird klar, daß unabhängig von den Störgrößen
r) der Stellweg des Kolbens lagegeregelt nachgeführt werden kann.The block diagram shows that the travel of the piston can be adjusted in a position-controlled manner, regardless of the disturbance variables
r).
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Figur 2 zeigt als Prinzipskizze die neuerungsgemäße elektro-hydraulische
Stelleinheit, die im wesentlichen folgende Bauteile beinhaltet: einen innerhalb eines Gehäuses 1 in Längsrichtung bewegbaren Hauptkolben
2, ein Vorsteuerventil 3 samt Kolben 4, Elektro-Magnete 5,6 sowie eine
Spiralfeder 7 (kann auch eine andersgeartete Feder sein) als Weg-Kraft-Wandler. Das Vorsteuerventil 3 ist ein wege-proportionales 4/3-Ventil.
Durch die elektronische Ansteuerung beispielsweise des Magneten 6 öffnet das Ventil 3 die Verbindung P nach A und B nach T. Hierbei bewegt der
Kolben 4 sich in Richtung des Hauptkolbens 2 und das Steueröl fließt in die Steuerkammer 8 und bewegt den Hauptkolben 2 in Richtung des Kolbens
4. Der Hauptkolben 2 ist über die als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder 7 mit dem Kolben 4 des Vorsteuerventils 3 verbunden, dergestalt, daß sie
an den einander zugewandten Stirnseiten 9,10 der beiden Kolben 2,4 befestigt
ist. Der Hauptkolben 2 wird solange verstellt, bis sich die Druckfeder 7 aufgrund ihrer Kennlinie so eingestellt hat, daß die Federkraft der
Druckfeder 7 und die magnetische Kraft des Magneten 6 im Gleichgewicht befinden. Dies bedeutet, daß der Hauptkolben 2 über die Druckfeder 7 den
Kolben 4 des Vorsteuerventils 3 schließt. Jede positive oder negative
Positionsabweichung des Hauptkolbens 2 bedingt ein Kräfteungleichgewicht zwischen Druckfeder 7 und elektronischer Magnetkraft, so daß der Kolben
in Regelstellung geht, bis der Hauptkolben 2 wieder positioniert 1st.Figure 2 shows a schematic diagram of the new electro-hydraulic actuating unit, which essentially contains the following components: a main piston 2 that can be moved longitudinally within a housing 1, a pilot valve 3 including piston 4, electromagnets 5, 6 and a spiral spring 7 (can also be a different type of spring) as a path-force converter. The pilot valve 3 is a path-proportional 4/3 valve. Through the electronic control of, for example, the magnet 6, the valve 3 opens the connection P to A and B to T. The piston 4 moves in the direction of the main piston 2 and the control oil flows into the control chamber 8 and moves the main piston 2 in the direction of the piston 4. The main piston 2 is connected to the piston 4 of the pilot valve 3 via the spiral spring 7, which is designed as a compression spring, in such a way that it is attached to the facing end faces 9, 10 of the two pistons 2, 4. The main piston 2 is adjusted until the compression spring 7 has adjusted itself based on its characteristic curve so that the spring force of the compression spring 7 and the magnetic force of the magnet 6 are in balance. This means that the main piston 2 closes the piston 4 of the pilot valve 3 via the compression spring 7. Any positive or negative
position deviation of the main piston 2 causes a force imbalance between the compression spring 7 and the electronic magnetic force, so that the piston
goes into the control position until the main piston 2 is repositioned.
Der gleiche Vorgang funktioniert in umgekehrter Weise, indem der Elektro-Magnet
5 betätigt wird und die Verbindung P nach B sowie A nach T hergestellt wird, was zu eine Druckerhöhung in der Steuerkammer 11 mit entsprechender
Verschiebung des Hauptkolbens 2 führt.The same process works in reverse by activating the electromagnet
5 and establishing the connection P to B and A to T, which leads to an increase in pressure in the control chamber 11 with a corresponding
displacement of the main piston 2.
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SchutzansprücheProtection claims
1. Elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesondere zur Steuerung von
Baumaschinen, mit einem verschiebbaren Hauptkolben, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer vorgesehen ist, die über elektromagnetisch
betätigbare Steuermittel mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar sind, gekennzeichnet durch ein einziges mittels zweier
Elektro-Magnete (5,6) betätigbares Steuermittel (3) in Form eines
Vorsteuerventils, das mit dem Hauptkolben (2) im wesentlichen in Reihe angeordnet ist, sowie mindestens einen Weg-Kraft-Wandler (7),
der in Wirkverbindung mit dem Hauptkolben (2) und dem Kolben (4) des Vorsteuerventils (3) steht.1. Electro-hydraulic actuating unit, in particular for controlling
construction machines, with a displaceable main piston, on each of whose two end faces a control chamber is provided, which can be pressurized or relieved of pressure medium via electromagnetically actuated control means, characterized by a single control means (3) actuated by means of two
electromagnets (5, 6) in the form of a
pilot valve, which is arranged essentially in series with the main piston (2), and at least one displacement-force converter (7),
which is in operative connection with the main piston (2) and the piston (4) of the pilot valve (3).
2. Stelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg-Kraft-Wandler
(7) mit den einander zugewandten Stirnseiten (9,10) des Hauptkolbens (2) sowie des Kolbens (4) des Vorsteuerventils (3) verbunden
ist.2. Actuating unit according to claim 1, characterized in that the displacement-force converter
(7) is connected to the mutually facing end faces (9, 10) of the main piston (2) and the piston (4) of the pilot valve (3).
3. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Weg-Kraft-Wandler (7) als Spiralfeder ausgebildet ist.3. Actuating unit according to claims 1 and 2, characterized in that
the displacement-force converter (7) is designed as a spiral spring.
4. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiralfeder (7) eine Druckfeder ist.4. Actuating unit according to claims 1 to 3, characterized in that
the spiral spring (7) is a compression spring.
5. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiralfeder (7) eine kombinierte Druck-/Zugfeder ist.5. Actuating unit according to claims 1 to 3, characterized in that
the spiral spring (7) is a combined compression/tension spring.
6. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Weg-Kraft-Wandler als Tellerfeder ausgebildet ist.6. Actuating unit according to claims 1 and 2, characterized in that
the displacement-force converter is designed as a disc spring.
7. Stelleinheit nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Vorsteuerventil (3) ein wegeproportionales 4/3-Ventil ist.7. Actuating unit according to claims 1 to 6, characterized in that
the pilot valve (3) is a path-proportional 4/3 valve.