EP0230884B1

EP0230884B1 - Hydraulisches Hubwerk

Info

Publication number: EP0230884B1
Application number: EP87100211A
Authority: EP
Inventors: Martin Schmid
Original assignee: STEINBOCK BOSS GmbH
Current assignee: STEINBOCK BOSS GMBH
Priority date: 1986-01-28
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1993-09-08
Anticipated expiration: 2007-01-09
Also published as: DE3602510C2; DE3602510A1; ATE94149T1; EP0230884A2; EP0230884A3; US4723107A; DE3787292D1

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Hubwerk für ein batteriegetriebenes Flurförderzeug mit einem hydraulischen Hubzylinder, mit einer im Lasthebebetrieb als Pumpe arbeitenden, den Hubzylinder mit Druckmittel beschickenden und im Lastsenkbetrieb als Motor arbeitenden, von dem aus dem Hubzylinder ausgeschobenen Druckmittel angetriebenen Hydraulikaggregat, mit einer mit dem Hydraulikaggregat gekuppelten, im Lasthebebetrieb als Elektromotor arbeitenden und im Lastsenkbetrieb als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine, mit einer im Lastsenkbetrieb von der Gleichstrommaschine gespeisten Nutzbremsschaltung, mit einer Steuerventilanordnung im Druckmittelweg zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Hydraulikaggregat und mit einer die Nutzbremsschaltung und die Steuerventilanordnung steuernden Hubwerksteuerung.
Ein hydraulisches Hubwerk dieser Art ist aus der DE-A-20 14 605 bekannt. Bei diesem Hubwerk eines Staplerfahrzeugs wird die den hydraulischen Hubzylinder zum Heben der Last mit Hydraulikfluid beschickende Pumpe von einem aus der Batterie des Fahrzeugs gespeisten Gleichstrom-Nebenschlußmotor angetrieben. Bei der Pumpe handelt es sich um eine Drehkolbenpumpe, deren Fördermenge durch Verstellen eines Regelorgans stufenlos von Pumpbetrieb auf Motorbetrieb umstellbar ist. Beim Absenken der Last wird die Pumpe als Hydraulikmotor betrieben, der den im Nutzbremsbetrieb als Generator arbeitenden Nebenschlußmotor antreibt. Die potentielle Ladeenergie der angehobenen Last wird damit beim Absenken der Last im Nutzbremsbetrieb in elektrische, die Batterie ladende Energie umgewandelt.
Bei Hubwerken der vorstehend erläuterten Art wird die Absenkgeschwindigkeit der Last durch das vom Generator erzeugte Bremsmoment bestimmt. Da der Generator im Stillstand kein Bremsmoment erzeugt, ist zwischen den Hydraulikmotor und den Hydraulikzylinder ein steuerbares Sperrventil geschaltet, welches im gesperrten Zustand den Hydraulikfluidfluß vom Hydraulikzylinder zum Hydraulikmotor sperrt. Beim Absenken der Last aus dem Stillstand heraus wird das Sperrventil geöffnet. Bei herkömmlichen Hubwerken der in Rede stehenden Art sackt hierauf die Last unter Beschleunigung des Generators durch, bis der Generator ein zum Halten der Last ausreichendes Gegendrehmoment erzeugt.
Aus der DE-A-30 18 156 ist ein hydraulisches Hubwerk bekannt, dessen für eine konstante Fördermenge bemessene Hydraulikpumpe von einem Käfig-Induktionsmotor angetrieben wird. Der Lasthebebetrieb und der Lastsenkbetrieb werden von gesonderten steuerbaren Drosselventilen gesteuert, die es erlauben, den Hebebetrieb und den Senkbetrieb allmählich, d.h. weich beginnen und enden zu lassen. Im Senkbetrieb arbeitet der Induktionsmotor als Generator und wird von der hierbei als Motor wirkenden Pumpe angetrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hydraulisches Hubwerk der eingangs erläuterten Art anzugeben, bei welchem die Last mit wählbarer Geschwindigkeit im Nutz-Brems-Betrieb abgesenkt werden kann, ohne daß sie zu Beginn des Absenkvorgangs ungewollt absackt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerventilanordnung ein Proportionalventil aufweist, das die Hubwerksteuerung im Lastbetrieb das Proportionalventil entsprechend einer Rampenfunktion öffnet und abhängig vom Ausgangsstrom der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine die Nutzbremsschaltung wirksam schaltet, wenn der Generatorausgangsstrom hierbei einen vorbestimmten Wert übersteigt, und daß die Hubwerkssteuerung eine den Erregerstrom der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine beeinflussende Drehzahlregeleinrichtung umfaßt, mittels der die Drehzahl des Hydraulikaggregats im Lastsenkbetrieb auf einen vorgebbaren Sollwert regelbar ist.
Bei einem solchen Hubwerk wird die Last zunächst über das Proportionalventil mit wachsendem Druckmitteldurchsatz gedrosselt abgesenkt. Die Absenkgeschwindigkeit wird hierbei durch das Proportionalventil bestimmt. Die Hubwerksteuerung überwacht den Ausgangsstrom der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine und schaltet die Nutzbremsschaltung zum elektrischen Bremsen der Absenkbewegung ein, sobald aufgrund des Generatorbetriebs ein hinreichend großes Bremsmoment auf den Hydraulikmotor ausübt. Diese Art der Steuerung verhindert anfängliches Absacken der Last beim Übergang in den Absenkbetrieb.
Nach dem Übergang auf elektrisches Bremsen des Absenkens wird das Proportionalventil vollständig geöffnet. Die Absenkgeschwindigkeit wird durch herkömmliches Regeln der Erregung der Gleichstrommaschine auf einem gewünschten Sollwert gehalten. Die Absenkgeschwindigkeit kann wahlweise vergrößert, insbesondere aber auch gegenüber dem Geschwindigkeitswert, bei welchem der Übergang auf elektrische Bremsung erfolgt, verkleinert werden. Zusätzlich zur Steuerung der Erregung der Gleichstrommaschine kann die Hubwertsteuerung eine zusätzliche Drehzahlregeleinrichtung umfassen, die die Erregung der Gleichstrommaschine abhängig von einem deren Drehzahl erfassenden Drehzahlsensor auf einem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert hält.
Nach Wirksamschalten der Nutzbremsschaltung kann die Absenkgeschwindigkeit der Last in weiten Grenzen variiert werden. Durch Regelung der Erregung der Gleichstrommaschine kann die Absenkgeschwindigkeit bis nahezu null abgesenkt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß bei Annäherung an den Stillstand das Proportionalventil entsprechend einer Rampenfunktion geschlossen wird, so daß Abschaltstöße vermieden werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der zwischen dem Hydraulikaggregat und dem Hydraulikzylinder angeordneten Steuerventilanordnung umfaßt diese in Serie zu dem Proportionalventil zwei gegensinnig öffnende Rückschlagventile, die durch magnetische Sperrventile überbrückt sind. Ein drittes in Heberichtung öffnendes Rückschlagventil überbrückt das Proportionalventil. Vorteil einer solchen Steuerventilanordnung ist ihr verhältnismäßig geringer ventiltechnischer Aufwand.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1: ein schematisches Blockschaltbild eines hydraulischen Hubwerks;
Fig. 2a, b und c: Zeitdiagramme von Steuersignalen des Hinbwerks der Fig. 1 und
Fig. 3: ein Schaltbild einer bei dem Hubwerk der Fig. 1 verwendbaren Nutzbremsschaltung.

Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Hubzylinder 1, dessen Kolben 3 nicht näher dargestellte Hebemittel eines batteriegetriebenen Flurförderzeugs, beispielsweise eines Gabelstaplers oder dergleichen zu heben oder zu senken vermag. Der Hubzylinder 1 ist über eine allgemein mit 5 bezeichnete Steuerventilanordnung an einen reversierbaren und damit als Pumpe betreibbaren Hydraulikmotor 7, beispielsweise einen Zahnradmotor, angeschlossen. Der Hydraulikmotor 7 ist mit einer sowohl als Motor als auch als Generator betreibbaren Gleichstrommaschine 9 gekuppelt, deren Erregung sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb von einer allgemein mit 11 bezeichneten Hubwerksteuerung regelbar ist. Die Gleichstrommaschine 9 ist hierzu über eine Thyristorsteuerung 13 an einen Akkumulator oder eine Batterie 15 angeschlossen. Die Hubwerksteuerung 11 spricht mittels eines Sensors 17 auf die Erregung der Gleichstrommaschine an und steuert die im Chopper-Betrieb arbeitende Thyristorschaltung 13 so, daß ein vorbestimmter, über die Hubwerksteuerung 11 wählbarer Wert der Erregung und damit ein vorbestimmter Wert des Drehmoments der Gleichstrommaschine 9 eingehalten werden kann. Mit der Welle des Hydraulikmotors 7 ist ferner ein Drehzahlgeber 19 gekuppelt, der ein der Drehzahl des Hydraulikmotors 7 entsprechendes Signal an die Hubwerksteuerung 11 abgibt. Die Hubwerksteuerung 11 umfaßt Regelmittel, die abhängig von der ermittelten Drehzahl über die Thyristorsteuerung 13 die Erregung der Gleichstrommaschine 9 so beeinflussen, daß sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb eine vorbestimmte Solldrehzahl eingehalten werden kann. Da die Drehzahl des Hydraulikmotors dem Druckmitteldurchsatz proportional ist, kann auf diese Weise die Hebe- bzw. Senkgeschwindigkeit des Kolbens 3 geregelt werden.
Im Lasthebebetrieb arbeitet die Gleichstrommaschine 9 als Motor und treibt den Hydraulikmotor 7 in einer Drehrichtung an, in der das Hydraulikfluid aus einem Tank 21 über die Steuerventilanordnung 5 in den Hydraulikzylinder 1 gefördert wird. Ein an den Ausgang des Hydraulikmotors 7 angeschlossenes Überdruckventil 23 begrenzt hierbei den Ausgangsdruck. Die Hubwerksteuerung 11 steuert die Motorerregung so, daß die Drehzahl des als Pumpe arbeitenden Hydraulikmotors 7 und damit die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 3 einen vorbestimmten Wert hat.
Im Absenkbetrieb treibt der mit der Last belastete Kolben 3 das Hydraulikfluid über die Steuerventilanordnung 5 in den Tank 21 zurück. Der Hydraulikmotor 7 arbeitet im Motorbetrieb und treibt die als Generator arbeitende Gleichstrommaschine 9 an. Der Ankerstromkreis der Gleichstrommaschine 9 ist über eine Nutzbrems-Umschaltstufe 25 mit der Batterie 15 verbunden. Die Nutzbrems-Umschaltstufe erlaubt bei Generatorbetrieb die Nutzbremsung der Gleichstrommaschine 9, wobei zumindest ein Teil des generatorisch erzeugten Stroms zum Laden der Batterie 15 genutzt wird. Auch im Nutzbremsbetrieb wird die Erregung der Gleichstrommaschine 9 über die Thyristorsteuerung 13 so gesteuert, daß der Generator ein vorbestimmtes Bremsdrehmoment auf den Hydraulikmotor 7 ausübt und zudem der Hydraulikmotor 7 auf einer vorbestimmten Drehzahl entsprechend einer vorbestimmten Lastabsenkgeschwindigkeit gehalten wird.
Die Steuerventilanordnung 5 umfaßt zwei in Serie zueinander angeordnete Magnetventile 27, 29 und ein ebenfalls in Serie geschaltetes Proportionalventil 31. Das normalerweise geschlossene Magnetventil 27 umfaßt ein in Absenkströmungsrichtung des Hydraulikfluids öffnendes Rückschlagventil 33 in einem Nebenschlußweg zu seiner Schließstellung. Das Magnetventil 29 ist normalerweise ebenfalls geschlossen und hat in einem Nebenschlußweg zu seiner Schließstellung ein in Lasthebeströmungsrichtung des Hydraulikfluids öffnendes Rückschlagventil 35. Ein weiteres Rückschlagventil 37 ist in einer Umwegleitung zu dem Proportionalventil 31 angeordnet.
Die Magnetventile 27, 29 und das Proportionalventil 31 werden von der Hubwerksteuerung 11 gesteuert. Die Hubwerksteuerung 11 ist zweckmäßigerweise als Microprozessorsteuerung ausgebildet und umfaßt ein zentrales Rechenwerk 39 mit einer Eingangsschaltung 41, einer Ausgangsschaltung 43 und einem Programm- und Datenspeicher 45. Die Eingangsschaltung 41 führt dem zentralen Rechenwerk 39 Eingangsdaten des Stromsensors 17, des Drehzahlgebers 19 sowie einer Bedienungsstufe 47 zu. An der Bedienungsstufe 47 kann zwischen Hebebetrieb und Senkbetrieb umgeschaltet werden, und es kann die Sollgeschwindigkeit beim Heben und Senken eingestellt werden. Der Eingangsschaltung 41 werden ferner Rückmeldedaten der Nutzbrems-Umschaltstufe 25 und der Thyristorsteuerung 13 sowie Daten über den Ladezustand der Batterie 15 zugeführt. Soweit die Daten in analoger Form vorliegen, werden sie in der Eingangsschaltung 41 in Digitaldaten gewandelt. Die Ausgangsschaltung 43 steuert den Chopper-Betrieb der Thyristorsteuerung 13 und den Umschaltbetrieb der Nutzbrems-Umschaltstufe 25. Die Ausgangsschaltung 43 erzeugt ferner Steuersignale für die Erregung der Magnetventile 27, 29 und des Proportionalventils 31. An die Ausgangsschaltung 43 ist ferner eine Fehleranzeige 49 angeschlossen zur Erzeugung von Alarm- und Störfallsignalen.
In einfachen Ausführungsformen der Hubwerksteuerung 11 können die Drehzahlregelungsmittel auch entfallen, so daß die Erregung der Gleichstrommaschine 9 im Generator- bzw. Motorbetrieb ohne Berücksichtigung der Ist-Drehzahl auf einem Sollwert gehalten wird. Statt des auf den Motorstrom ansprechenden Sensors 17 kann auch ein auf die Motorspannung ansprechender Sensor vorgesehen sein zur Ermittlung des Istwerts der Erregung der Gleichstrommaschine 9.
Im Lasthebebetrieb ist das Magnetventil 27 geöffnet, und das Hydraulikfluid wird über das Magnetventil 27 und die Rückschlagventile 35, 37 in den Hydraulikzylinder 1 gepumpt. Der Absenkbetrieb wird von der Hubwerksteuerung 11 über das Magnetventil 29 und das ebenfalls normalerweise geschlossene Proportionalventil 31 gesteuert. Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des von der Hubwerksteuerung 11 an das Magnetventil 29 abgegebenen Steuersignals M29. Der zeitliche Verlauf des an das Proportionalventil 31 abgegebenen Steuersignals M31 ist in Fig. 2b dargestellt. Fig. 2c zeigt den zeitlichen Verlauf des Erregerstroms I_G der im Generatorbetrieb arbeitenden Gleitstrommaschine 9. Zum Zeitpunkt t₀ wird an der Bedienungsstufe 47 der Befehl zum Absenken der Last mit einer vorbestimmten Absenkgeschwindigkeit gegeben. Die Hubwerksteuerung 11 öffnet hierbei das Magnetventil 29 und erzeugt ein Rampensignal 51, welches das Proportionalventil 31 stetig zunehmend öffnet. Die Absenkgeschwindigkeit wird durch den entsprechend dem Rampensignal sich vergrößernden Öffnungsquerschnitt des Proportionalventils 31 festgelegt. Die Nutzbrems-Umschaltstufe 25 ist unwirksam geschaltet. Sobald der von der Hubwerksteuerung 11 über den Sensor 17 ermittelte Ankerstrom der Gleichstrommaschine 9 ausreicht, um die auf dem Kolben 3 lastende Last durch das Bremsmoment des Generators zu halten, wird der Nutzbremsbetrieb über die NutzbremsUmschaltstufe 25 eingeschaltet und das Proportionalventil 31 vollständig geöffnet. In Fig. 2c wird der Umschaltstrom I₀ zum Zeitpunkt t₁ erreicht. Nach dem Wirksamschalten des Nutzbremsbetriebs wird die Drehzahl des Hydraulikmotors 7 über die Erregung der Gleichstrommaschine 9 auf den an der Bedienungsstufe 47 eingestellten Sollwert geregelt, wobei der Sollwert im Verlauf der Absenkgeschwindigkeit variiert werden kann, wie dies in Fig. 2c für den Zeitpunkt t₂ dargestellt ist. Die Hubwerksteuerung 11 erlaubt nicht nur einen ruckfreien Beginn des Lastabsenkbetriebs, sondern auch die ruckfreie Beendigung. Wird zum Zeitpunkt t₃ über die Bedienungsstufe 47 der Sollwert der Absenkgeschwindigkeit auf null gestellt, so wird zunächst die Absenkgeschwindigkeit durch elektrische Regelung der Gleichstrommaschine 9 bis auf einen Wert nahe dem Stillstand verringert. Die Hubwerksteuerung 11 erzeugt ein das Proportionalventil 31 stetig schließendes Rampensignal 53. Das Magnetventil 29 wird zum Zeitpunkt t₄ bei geschlossenem Proportionalventil 31 ebenfalls geschlossen.
Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Nutzbremsschaltung für eine Gleichstrom-Reihenschlußmaschine mit einem in Serie zu einer Feldwicklung 61 geschalteten Anker 63. Die Feldwicklung 61 ist über einen Thyristor 65 an den positiven Pol einer Batterie 67 angeschlossen. Der Anker 63 ist über einen dem Sensor 17 aus Fig. 1 entsprechenden Stromfühler 69, beispielsweise einen Nebenschlußwiderstand, an einen Steuerschalter 71 angeschlossen, der den Anker 63 mit dem negativen Pol der Batterie 67 verbindet. Eine Steuerschaltung 73, welche einen herkömmlichen Löschkreis für den Thyristor 65 umfaßt, steuert den Thyristor 65 im Zerhackerbetrieb und bestimmt die Impulsdauer und die Impulsperiode des durch die Feldwicklung 61 und den Anker 63 fließenden Stroms. Der mittels des Sensors 69 erfaßte Strom wird auf einem bei 75 vorgebbaren Sollwert gehalten. Bei 77 ist eine der Feldwicklung 61 parallel geschaltete Freilaufdiode dargestellt, wie sie für Thyristorlöschkreise herkömmlicher Bauart eingesetzt wird.
Im Lasthebebetrieb ist der Schalter 71 geschlossen und der impulsförmige Motorstrom fließt über den Thyristor 65, die Feldwicklung 61, den Anker 63, den Sensor 69 und den Schalter 71.
Durch Öffnen des Schalters 71 wird eine Nutzbremsschaltung wirksam geschaltet. Die Nutzbremsschaltung umfaßt eine mit ihrer Kathode an den Pluspol der Batterie 67 und mit ihrer Anode über den Sensor 69 an den Anker 63 angeschlossene Diode 79. Die Diode 79 ist der Serienschaltung aus dem Thyristor 65, der Feldwicklung 61, dem Anker 63 und dem Sensor 69 parallel geschaltet. Die Anode der Diode 79 ist mit der Anode einer weiteren Diode 81 verbunden, deren Kathode über einen Widerstand 83 an den negativen Pol der Batterie 67 angeschlossen ist. Dem Widerstand 83 ist ein Kondensator 85 parallel geschaltet. Der Schalter 71 bildet einen Kurzschlußschalter zu der Serienschaltung aus der Diode 81 und dem Widerstand 83. Während im Lasthebebetrieb der Verbindungspunkt 87 über den geschlossenen Schalter 71 auf dem Potential des Minuspols der Batterie 67 gehalten wird, kann das Potential am Punkt 87 bei im Lastabsenkbetrieb geöffnetem Schalter 71 aufgrund der vom Anker 63 erzeugten Generatorspannung auf einen Wert steigen, dessen Potential größer ist als das Potential am Pluspol der Batterie 67. Die Diode 79 wird hierdurch leitend, und es fließt ein Ladestrom in die Batterie 67. Die Erregung der Feldwicklung 61 ist auch in diesem Betriebszustand über den Thyristor 65 steuerbar.

Claims

Hydraulisches Hubwerk für ein batteriegetriebenes Flurförderzeug, mit einem hydraulischen Hubzylinder (1), mit einer im Lasthebebetrieb als Pumpe arbeitenden, den Hubzylinder (1) mit Druckmittel beschickenden und im Lastsenkbetrieb als Motor arbeitenden, von dem aus dem Hubzylinder (1) ausgeschobenen Druckmittel angetriebenen Hydraulikaggregat (7), mit einer mit dem Hydraulikaggregat (7) gekuppelten, im Lasthebebetrieb als Elektromotor arbeitenden und im Lastsenkbetrieb als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine (9), mit einer im Lastsenkbetrieb von der Gleichstrommaschine (9) gespeisten Nutzbremsschaltung (25; 79), mit einer Steuerventilanordnung (5) im Druckmittelweg zwischen dem Hydraulikzylinder (1) und dem Hydraulikaggregat (7) und mit einer die Nutzbremsschaltung (25; 79) und die Steuerventilanordnung (5) steuernden Hubwerksteuerung (11) dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventilanordnung (5) ein Proportionalventil (31) aufweist, daß die Hubwerksteuerung (11) im Lastsenkbetrieb das Proportionalventil (31) entsprechend einer Rampenfunktion öffnet und abhängig vom Ausgangsstrom der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine (9) die Nutzbremsschaltung (25; 79) wirksam schaltet, wenn der Generator-Ausgangsstrom hierbei einen vorbestimmten Wert übersteigt und daß die Hubwerksteuerung (11) eine den Erregerstrom der als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine (9) beeinflussende Drehzahlregeleinrichtung (19, 39) umfaßt, mittels der die Drehzahl des Hydraulikaggregats (7) im Lastsenkbetrieb auf einen vorgebbaren Sollwert regelbar ist.
Hydraulisches Hubwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hubwerksteuerung (11) beim Übergang vom Lastsenkbetrieb zum Stoppbetrieb das Proportionalventil (31) entsprechend einer Rampenfunktion schließt.
Hydraulisches Hubwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventilanordnung (5) drei in Serie zueinander zwischen den Hubzylinder (1) und das Hydraulikaggregat (7) geschaltete Rückschlagventile (33, 35, 37) aufweist, von denen das erste Rückschlagventil (33) in Senkströmungsrichtung des Druckmittels öffnet und das zweite (35) und das dritte (37) Rückschlagventil in Hebeströmungsrichtung des Druckmittels öffnet, daß die Steuerventilanordung (5) ferner zwei normal geschlossene, von der Hubwerksteuerung (11) zu öffnende Magnetventile (27, 29) aufweist, von denen das erste Magnetventil (27) im Nebenschluß zum ersten Rückschlagventil (33) angeordnet und im Lasthebebetrieb geöffnet ist und das zweite Magnetventil (29) im Nebenschluß zum zweiten Rückschlagventil (35) angeordnet und im Lastsenkbetrieb geöffnet ist und daß das Proportionalventil (31) im Nebenschluß zum dritten Rückschlagventil (37) angeordnet ist.
Hydraulisches Hubwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydraulikaggregat als reversibler, als Pumpe betreibbarer Zahnradmotor (7) ausgebildet ist.
Hydraulisches Hubwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daR die Gleichstrommaschine als im Generatorbetrieb betreibbarer Reihenschlußmotor (61, 63) ausgebildet ist.