EP0528103B2 - Elektrohydraulische Stelleinheit - Google Patents

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EP0528103B2
EP0528103B2 EP92104566A EP92104566A EP0528103B2 EP 0528103 B2 EP0528103 B2 EP 0528103B2 EP 92104566 A EP92104566 A EP 92104566A EP 92104566 A EP92104566 A EP 92104566A EP 0528103 B2 EP0528103 B2 EP 0528103B2
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EP
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control
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travel
main piston
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Detlef Tolksdorf
Gerd Pidde
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Gft Gesellschaft fur Hydraulik-Technologie GbR
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    • F15B13/16—Special measures for feedback, e.g. by a follow-up device

Definitions

  • the invention relates to an electro-hydraulic control unit, in particular for control of construction machinery, according to the generic part of the first claim.
  • an electro-hydraulic actuator is known, the one displaceable piston-like part, in particular has a control slide whose two end faces each have a control chamber arranged via control means can be pressurized or relieved of pressure to move the part is.
  • the control means is an electro-magnetic associated with each control chamber actuatable control valve, which is mechanically fed back to the control valve acts.
  • the mechanical feedback is designed as a spring that each on the mutually facing end faces of the movable part and Control valve supports. Further centering springs are provided for the piston-like part.
  • This control unit is intended to provide feedback for the position control of the displaceable Part can be achieved, the setting should be particularly accurate.
  • the Control valves are designed as 3/2-way valves.
  • a disadvantage of this control unit is that due to the interaction a pressure of the magnetic force and spring force is set on the valve (after which Current divider principle), which over the surface of the movable part as adjusting force works. It follows that the control pressure only with constant proportional magnetic force is still set depending on the spool position, i.e. there is one Slider position only one setting value. But since the disturbances occurring which occur in a wide range adjust the spool must be constant Magnetic force, the control pressure can be adjusted in a wide range to be able to position the piston correctly. In addition, this actuator unit efficiency is poor because the control oil volume flow requirement is high due to the flow divider function for control pressure generation, furthermore is a high one Control pressure is required as the main piston is moved against a spring. As a result of the constant pressure, there is a high loss of performance due to the circulating oil.
  • DE-C 28 35 771 shows a cartridge valve with a device its control by means of a hydraulic tracking system consisting of a Cartridge element for regulating a main flow valve flowing through hydraulic volume flow, with an inlet throttle between the flow Main power connection and the control side of the cartridge element and with one interacting via a linkage with an adjustable discharge throttle Pilot piston of a pilot valve and with a control valve for actuation of the pilot piston.
  • the control valve forms an independent control device to connect the incoming main power connection with the upper or Bottom of the pilot piston with a return line leading the pilot piston moved proportional to a control signal, the control device with a Connection via a pipe to the top or bottom of the pilot spool and with a further connection via a pipeline to the other side of the Pilot piston is connected.
  • a disadvantage of this design is that that only two positions can be brought about by this cartridge valve and a positioning of the main piston within the Housing is not feasible.
  • DE-A 28 30 332 is an electro-hydraulic valve unit, known according to the preamble of claim 1 with a proportional servo valve, one with this coupled directional control valve for control a working cylinder and with an electro-mechanical converter for generation a linearly dependent force for the adjustment of the electrical input signal of the servo valve is known, the directional control valve having a valve spindle, which is a neutral position, a first working position for connecting one Fluid pressure source with a chamber of the working cylinder and a second working position to connect this chamber to the sump.
  • the valve stem of the Directional control valve is coupled to the valve stem of the servo valve via a spring.
  • a second spring On the other side of the valve stem of the servo valve is a second spring arranged and counteracts the first spring.
  • the spring constant of the second Spring is larger than that of the first, the second spring being arranged so that in de-energized state of the electro-mechanical converter the valve spindle of the servo valve is in its neutral position.
  • the spring constant of the second spring can be here be greater by a factor of 5-12 than the spring constant of the first spring.
  • the change in force of the magnetic core with respect to the change in Position of the same is always smaller than the combined spring constants of the compression springs, so that the magnet, when excited, does not move to its maximum position can move.
  • a variety of different spring constants are used having springs, so that one of disturbances of individual or all springs independent positioning of the main piston within the housing is not can be realized.
  • the object of the invention is the further development of the generic electrohydraulic Actuator in that a closed position control loop is formed is the, even with occurring disturbances such as flow forces, pressure changes and the like. With high setting accuracy or reproducibility of position and speed of the components to be controlled can be maintained.
  • the field of application of the subject matter of the invention essentially relates to control of hydraulic cylinders and hydraulic motors in the stationary industrial sector, whereby a preferred area of application is formed by the mobile construction machinery area becomes.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the electro-hydraulic actuating unit according to the invention, which essentially contains the following components: a longitudinally movable main piston 2 within a housing 1, a pilot valve 3 together with piston 4, electromagnets 5, 6 and a spiral spring 7 (can also be a different type of spring) as a displacement-force converter.
  • the pilot valve 3 is a directionally proportional 4/3 valve. Through the electronic control of the magnet 6, for example, 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 via the spiral spring 7 designed as a compression spring to the piston 4 of the pilot valve 3, in such a way that it is attached to the mutually facing end faces 9, 10 of the two pistons 2, 4.
  • the main piston 2 is adjusted until the compression spring 7 has adjusted due to its characteristic curve so that the spring force of the compression spring 7 and the magnetic force of the magnet 6 are in equilibrium. 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 positional deviation of the main piston 2 causes a force imbalance between the compression spring 7 and the electronic magnetic force, so that the piston 4 moves into the control position until the main piston 2 is positioned again.

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen, gemäß gattungsbildendem Teil des ersten Patentanspruches.
Durch die DE-A 35 27 026 ist eine elektro-hydraulische Stelleinheit bekannt, die ein verschiebbares kolbenartiges Teil, insbesondere einen Steuerschieber aufweist, an dessen beiden Stirnseiten je eine Steuerkammer angeordnet ist, die über Steuermittels zwecks Verschieben des Teiles mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar ist. Das Steuermittel ist ein jeder Steuerkammer zugeordnetes, elektro-magnetisch 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.
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 lagegerecht 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 anstehendes Druckes ist mit hohen Leistungsverlusten durch das umlaufende Öl zu rechnen.
Der DE-C 28 35 771 ist ein Cartridge-Ventil zu entnehmen, mit einer Einrichtung zu dessen Ansteuerung mittels eines hydraulischen Folgesystems, bestehend aus einem Cartridge-Element zur Regelung eines Ventil-Hauptstromanschlüsse durchströmenden hydraulischen Volumenstromes, mit einer Zulaufdrossel zwischen dem angeströmten Hauptstromanschluß und der Steuerseite des Cartridge-Elementes und mit einem über ein Gestänge mit einer verstellbaren Ablaufdrossel zusammenwirkenden Vorsteuerkolben eines Vorsteuerventils sowie mit einem Steuerventil zum Betätigen des Vorsteuerkolbens. Das Steuerventil bildet hierbei eine selbständige Regeleinrichtung zum Verbinden des angeströmten Hauptstromanschlusses mit der Ober- oder Unterseite des Vorsteuerkolbens mit einer Rücklaufleitung, die den Vorsteuerkolben proportional zu einem Steuersignal bewegt, wobei die Regeleinrichtung mit einem Anschluß über eine Rohrleitung mit der Ober- oder Unterseite des Vorsteuerkolbens und mit einem weiteren Anschluß über eine Rohrleitung mit der anderen Seite des Vorsteuerkolbens verbunden ist. Nachteilig an dieser Ausführung ist festzustellen, daß lediglich zwei Stellungen durch dieses Cartridge-Ventil herbeiführbar sind und eine von Störgrößen unabhängige Positionierung des Hauptkolbens innerhalb des Gehäuses nicht realisierbar ist.
Durch die DE-A 28 30 332 ist eine elektro-hydraulische Ventileinheit, gem oberbegriff des Anspruches 1 bekannt mit einem Proportional-Servoventil, einem mit diesem gekuppelten Richtungssteuerventil zum Steuern eines Arbeitszylinders und mit einem, elektro-mechanischen Wandler zum Erzeugen einer von dem elektrischen Eingangssignal linear abhängigen Kraft zum Verstellen des Servoventils bekannt, wobei das Richtungssteuervenil eine Ventilspindel aufweist, die eine neutrale Stellung, eine erste Arbeitsstellung zum Verbinden einer Fluiddruckquelle mit einer Kammer des Arbeitszylinders und eine zweite Arbeitsstellung zum Verbinden dieser Kammer mit dem Sumpf umfaßt. Die Ventilspindel des Richtungssteuerventils ist über eine Feder mit der Ventilspindel des Servoventils gekoppelt. Auf der anderen Seite der Ventilspindel des Servoventils ist eine zweite Feder angeordnet und wirkt der ersten Feder entgegen. Die Federkonstante der zweiten Feder ist größer als die der ersten, wobei die zweite Feder so angeordnet ist, daß im stromlosen Zustand des elektro-mechanischen Wandlers die Ventilspindel des Servoventils in ihrer Neutralstellung ist. Die Federkonstante der zweiten Feder kann hierbei um den Faktor 5-12 größer sein als die Federkonstante der ersten Feder. Mit anderen Worten, für jedes eine Kraftänderung bewirkende Verschiebungsinkrement der einen Druckfeder beträgt die Änderung der anderen Druckfeder das 5- bis 12-fache der ersten Druckfeder. Die Kraftänderung des Magnetkerns bezüglich der Veränderung der Lage desselben ist immer kleiner, als die kombinierten Federkonstanten der Druckfedern, so daß sich der Magnet, wenn er erregt wird, nicht in seine maximale Stellung bewegen kann. Zum Einsatz gelangen eine Vielzahl von unterschiedliche Federkonstanten aufweisenden Federn, so daß eine von Störgrößen einzelner oder aller Federn unabhängige Positionierung des Hauptkolbens innerhalb des Gehäuses nicht realisiert werden kann.
In einem Firmenprospekt der Firma Moog GmbH mit der Veröffentlichungsnummer 625 D 1.80 sind Servoverstellgeräte für Verstellpumpen und Verstellmotoren beschrieben. Bild 1 auf Seite 4 zeigt das Servoverstellgerät in seinem Ausgangszustand bei Steuerstrom null. Prallplatte und Anker befinden sich in ihrer Mittellage. Ein kleiner Teil des Steueröls fließt dauernd über die Blenden zu den Düsen. Bei Mittellage der Prallplatte ist der Druckstrom vor den Düsen 1 und 2 und somit auch auf die Stirnfläche des Steuerkolbens gleich. Er befindet sich ebenfalls in seiner Mittellage, wo eine negative Überdeckung der Steuerkanten für eine Verbindung der Stellkolbenseiten untereinander und zum Tank sorgt. Eine Rückstellfeder bewegt den Stellkolben und damit die Verstellpumpe in die vom Pumpenhersteller eingestellte Null-Lage. Dabei ist für eine stabile Null-Lage von Bedeutung, daß beim Aussteuern der Null-Lage erst die Vorspannung der Rückstellfedern überwunden werden muß. Der Zulauf des Steueröls erfolgt über eine Blende, mit deren Durchflußquerschnitt die Verstellgeschwindigkeit beeinflußt werden kann. Anstelle der Blende im Steuerölzulauf können alternativ Blenden im Zulauf zum Stellkolben eingebaut werden. Zum Einsatz gelangen hierbei eine Vielzahl von Federn, die wiederum Störgrößen darstellen, die auch durch Verwendung von Elektromagneten keinen geschlossenen Lageregelkreis bilden können, der auch bei auftretenden Störgrößen eine hohe Einstellgenauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit von Position und Geschwindigkeit der zu steuernden Bauteile aufrecht erhalten kann.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist die Weiterbildung der gattungsgemäßen elektrohydraulischen Stelleinheit 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.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angeführten Merkmale erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Gegenüber dem Stand der Technik werden durch den Erfindungsgegenstand folgende Vorteile erzielt:
  • hohe Stellgenauigkeit von Hydrauliksystemen bei robuster, unempfindlicher Ausführung des Regelkreises,
  • Optimierung des Energiehaushaltes,
  • Verwendung geringerer Anzahl von Steuermitteln,
  • kein Ölumlauf im ausgeregelten Zustand,
  • störgrößenunabhängige Positioniergenauigkeit des Hauptkolbens
  • Erhöhung der Feinsteuerbarkeit.
Der Einsatzbereich des Erfindungsgegenstandes betrifft im wesentlichen die Ansteuerung von Hydro-Zylindern und Hydro-Motoren im stationären Industriebereich, wobei ein bevorzugtes Anwendungsgebiet durch den mobilen Baumaschinenbereich gebildet wird.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 -
Blockschaltbild
Figur 2 -
Prinzipskizze der Anordnung bzw. Verknüpfung der erfindungsgemäßen Stelleinheit.
In Figur 1 ist anhand eines Blockschaltbildes der geschlossene Regelkreis dargestellt. Die eingefügten Buchstaben werden nachstehend aufgelistet:
s
= Weg des Hauptkolbens
A
= Additionsstelle Magnet + Feder
FStör
= Störkräfte auf den Hauptkolben
FSt
= Stellkräfte
pSt
= Steuerdruck
F
= Kraftdifferenz am Steuerkolben
FR
= Kraft der Regelfeder
FI
= Kraft des Proportionalmagneten
Die Funktion des Lageregelkreises stellt sich wie folgt dar: der Sollwert wird über den Wandler I/FI auf die Additionsstelle A in physikalischer Form der Kraft FI geführt und wird mit der Kraft FR des Wandlers s/FR verrechnet. Ergibt sich aus dieser Rechnung eine Regeldifferenz, so wird über den Wandler F/pSt und den Wandler pSt/FSt 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/FI, was aufgrund der verschiedenen Vorzeichen der Kräfte FI und FR als Ergebnis die Kraft F = 0 ergibt und somit der Kolben lagegeregelt positioniert ist.
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/pSt und pSt/FSt eine Kraft erzeugt wird, welche der Kraft FStör in gleicher absoluter Größe entgegenwirkt, bis der Kolben wieder positioniert ist.
Anhand des Blockschaltbildes wird klar, daß unabhängig von den Störgrößen (FStör) der Stellweg des Kolbens lagegeregelt nachgeführt werden kann.
Figur 2 zeigt als Prinzipskizze die erfindungsgemäße 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 4 in Regelstellung geht, bis der Hauptkolben 2 wieder positioniert ist.
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.

Claims (5)

  1. Elektro-hydraulische Stelleinheit, insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen, mit einem verschiebbaren Hauptkolben, an dessen Stirnseiten Steuerkammern vorgesehen sind, die über elektro-magnetisch betätigbare Steuermittel mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar sind, wobei durch ein einziges mittels zweier Elektro-Magnete (5,6) betätigbares Steuermittel (3) in Form eines Vorsteuer-Wegeventils (3), das mit dem Hauptkolben (2) in Reihe angeordnet ist sowie mindestens einen Weg-Kraft-Wandler (7), der in Wirkverbindung mit dem Hauptkolben (2) und einem Kolben (4) des Vorsteuer-Wegeventils (3) steht, durch Betätigen eines der Elektro-Magnete (5 oder 6) über das Vorsteuer Wegeventil (3) Steueröl in die zugehörige Steuerkammer (8 oder 9) fließt dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuer-Wegeventil (3) ein Wegeproportionales Ventil ist, und daß der Weg-Kraft-Wandler (7) mit den einander zugewandten Stirnseiten (9, 10) des Hauptkolbens (2) sowie des Kolbens, (4) des Vorsteuer-Wegeventils (3) verbunden ist, wobei der Hauptkolben (2) in die entsprechende Richtung (s) und der Kolben (4) des Vorsteuer-Wegeventils (3) über den Weg-Kraft-Wandler (7) durch den Hauptkolben (2) solange bewegt werden, bis die Federkraft des mit den Kolben (2, 4) verbundenen Weg-Kraft-Wandlers (7) und die magnetische Kraft im Gleichgewicht sind, und wobei ein geschlossener Lageregelkreis, unabhängig von Störgrößen, dadurch gebildet wird, daß bei jeder Positionsabweichung des Hauptkolben (2) ein Kräfteungleichgewicht zwischen der Federkraft des mit den Kolben (2, 4) verbundenen Weg-Kraft-Wandlers (7) und der elektrischen Magnetkraft sich einstellt, wobei der Kolben (4) in Regelstellung geht, bis der Hauptkolben (4) störgrößenunabhängig wieder positioniert ist.
  2. Elektrohydraulische Stelleinheit nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Kolben (2, 4) verbundene Weg-Kraft-Wandler (7) als Spiralfeder ausgebildet ist.
  3. Elektrohydraulische Stelleinheit nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfeder (7) eine Druckfeder ist.
  4. Elektrohydraulische Stelleinheit nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfeder (7) eine kombinierte Zug-Druck-Feder ist.
  5. Elektrohydraulische Stelleinheit nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Kolben (2, 4) verbundene Weg- Kraft- Wandler (7) als Tellerfeder ausgebildet ist.
EP92104566A 1991-07-20 1992-03-17 Elektrohydraulische Stelleinheit Expired - Lifetime EP0528103B2 (de)

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EP0528103B1 EP0528103B1 (de) 1995-10-11
EP0528103B2 true EP0528103B2 (de) 2000-06-28

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ID=6436652

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP92104566A Expired - Lifetime EP0528103B2 (de) 1991-07-20 1992-03-17 Elektrohydraulische Stelleinheit

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EP (1) EP0528103B2 (de)
DE (2) DE4124140C2 (de)

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