EP2466152A1

EP2466152A1 - Elektrohydraulische Steuervorrichtung

Info

Publication number: EP2466152A1
Application number: EP10195693A
Authority: EP
Inventors: Recep Dr. Macit
Original assignee: Hawe Hydraulik SE
Current assignee: Hawe Hydraulik SE
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: EP2466152B1

Abstract

In einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung (EHR) eines wenigstens einen einseitig oder doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotor (Z) aufweisenden Hubwerks (H) einer fahrbaren Arbeitsmaschine (M), wobei die Steuervorrichtung (EHR) einen Hebenstrang (37) und einen Senkenstrang (38) jeweils mit einem Proportional-Druckregelsitzventil mit leckagefreier Sperrstellung für den Lastdruck, einen Lastdruck-Signalkreis (LS), sowie ein elektrisches Steuergerät (CU) aufweist, das mit dem Proportionalmagneten (2, 2') und Istzustände meldenden Sensoren (49, 51, 52) verbunden ist, ist zumindest das im Hebenstrang (37) angeordnete Proportional-Druckregelsitzventil (41) mit einer Druckvorsteuerung (43) ausgebildet und lastdruckunabhängig betätigbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuervorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
Solche fahrbaren Arbeitsmaschinen sind, ohne Beschränkung, beispielsweise Schleppfahrzeuge mit Anbaugerätschaften, landwirtschaftliche Maschinen, wie Schlepper, Grader, Radlader, Straßenpflegefahrzeuge, Sämaschinen, und ähnliche Arbeitsmaschinen. Die in solchen fahrbaren Arbeitsmaschinen vorgesehenen elektrohydraulischen Steuervorrichtungen zeigen in der Praxis trotz hohen regelungstechnischen Aufwands kein einwandfrei lastunabhängiges Betriebsverhalten. Die aus dem Prospekt der Firma Bosch "EHR-System, EHR 23 LS der Firma Bosch bekannte Steuervorrichtung weist im Hebenstrang des einseitig beaufschlagbaren Hydromotors ein direkt von einem Proportionalmagneten betätigtes 2/3-Druckregelsitzventil auf, dem eine Zulauf-Druckwaage vorgeschaltet ist. Da der Anker des Proportionalmagneten druckausgeglichen ist, erhält der Proportionalmagnet keine Rückmeldung zum tatsächlichen Lastdruck oder zu Lastdruckänderungen, sobald das Druckregelsitzventil durch Bestromen des Proportionalmagneten aufgesteuert ist. Die Zulauf-Druckwaage ist eine zusätzlich erforderliche Ausstattungskomponente der Steuervorrichtung und erhöht den Drosselverlust bei der Hebenregelung.
Bei dem Prospekt der Firma Rexroth Bosch Group, 1 987 760 507/09.99; AKY 005/7 "Elektronisch-hydraulische Hubwrksregelung" für Hochleistungstraktoren oder Schlepper, Seite 4/55, ist eine elektrohydraulische Steuervorrichtung auch entsprechend DE 10 200 033 315 A bekannt, bei der das über das elektronische Steuergerät betätigbare Regelventil für ein Front- bzw. Heck-Werk die Beaufschlagung des jeweiligen Hydromotors steuert bzw. regelt. Gemäß DE 10 2004 033 315 A werden die im Hebenstrang und Senkenstrang angeordneten Druckregelsitzventile über ihre Druckvorsteuerungen proportional über einen vorgeschalteten 4/4-Proportional-Wegeschieber mit zwei Proportionalmagneten proportional betätigt. Obwohl ein Lastdruck-Signalkreis vorgesehen ist, ist dennoch keine ausreichende Präzision der Lastdruckunabhängigkeit gegeben, obwohl dem 4/4-Proportional-Wegeschieber eine Zulauf-Druckwaage vorgeschaltet ist. Diese Steuervorrichtung ist aufwändig und vielteilig und bedingt erhebliche Drosselverluste, da zwischen der Druckquelle und dem Hydromotor mehrere drosselnde Stufen vorliegen.
Auch bei der aus EP 2 031 256 A bekannten, aufwändigen elektrohydraulischen Steuervorrichtung ist den beiden Proportional-Druckregelsitzventilen ein 4/4-Proportional-Wegeschieber mit Zulaufregler vorgeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Steuervorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die baulich einfach und mit verlustarmem Betrieb eine Steuerung bzw. Regelung des Hydromotors des Hubwerks ermöglicht, die sich durch vollständige Lastdruckunabhängigkeit auszeichnet.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Da zumindest das im Hebenstrang angeordnete Proportional-Druckregelsitzventil mit Druckvorsteuerung ausgebildet ist und einen Proportionalmagneten aufweist, der die Druckvorsteuerung lastdruckkompensierend betätigt, arbeitet die Steuervorrichtung zumindest beim Heben oder bei einer Hebenregelung vollständig lastdruckunabhängig. Solche lastdruckunabhängig arbeitenden Proportional-Druckregelsitzventile mit Druckvorsteuerung werden in der europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 09 008 683.6-1252 der Anmelderin vorgeschlagen, deren Gesamtoffenbarung hiermit durch Rückbeziehung inkorporiert wird. Die Steuervorrichtung ist baulich einfach, da zusätzlich zu den Proportional-Druckregelsitzventilen zur Heben- und Senkensteuerung keine weiteren Ventilkomponenten benötigt werden, wodurch auch die Drosselverluste zumindest bei der Hebensteuerung minimiert sind.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist im Hinblick auf eine vollständig lastdruckunabhängige Senkensteuerung oder Senkenregelung auch das Proportional-Druckregelsitzventil im Senkenstrang mit einer Druckvorsteuerung ausgebildet, die ein Proportionalmagnet lastdruckkompensierend betätigt, so dass eine vollständig lastdruckunabhängige Steuerung möglich ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist zumindest der Hebenstrang stromauf des Proportional-Druckregelsitzventils an einen hydropneumatischen Gasdruckspeicher angeschlossen, beispielsweise um eine bestimmte Dämpfung und/oder Federung zu erzeugen und/oder die Steuervorrichtung mit Energierückgewinnung und/oder mit weniger Einschaltzyklen der Druckquelle betreiben zu können.
Da üblicherweise bei einem Hubwerk auch Funktionen benötigt werden, bei denen zumindest bei der Hebensteuerung eine Begrenzung der vom Hubwerk generierten Kraft erforderlich ist, ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform zumindest der Hebenstrang über ein Sekundär-Druckbegrenzungsventil oder ein Umschaltventil mit einem Tank verbindbar. Das Sekundär-Druckbegrenzungsventil spricht auf einen eingestellten Maximaldruck an und begrenzt diesen. Das Umschaltventil ermöglicht eine wahlweise Druckbegrenzungsfunktion oder Druckentlastungsfunktion für das Hubwerk.
Das Sekundär-Druckbegrenzungsventil wird bei einer zweckmäßigen Ausführungsform durch einen Proportionalmagneten verstellt, so dass der Maximaldruck feinfühlig und sogar im Betrieb veränderbar ist, vor allem für bestimmte Funktionen auf einen ganz niedrigen Druckwert eingestellt werden kann.
In einer Ausführungsform mit einem Umschaltventil ist dieses zweckmäßig ein Magnetschaltventil, das über das elektrische bzw. elektronische Steuergerät nach Bedarf oder für bestimmte Funktionen geschaltet wird.
Zweckmäßig handelt es sich bei dem Magnetschaltventil um ein 2/2-Wegeventil, das in einer Schaltstellung den Hebenstrang gegen den Tank sperrt und den Lastdruck-Signalkreis offen hält, der dann beispielsweise im Betrieb zur Regelung der Druckversorgung aus einer Druckquelle herangezogen wird, und in der anderen Schaltstellung den Hebenstrang und den Lastdruck-Signalkreis zum Tank entlastet, um die Maximalkraft für den Hydromotor des Hubwerks zu begrenzen oder zu erniedrigen bzw. abzubauen, und gleichzeitig den Lastdruck-Signalkreis zu entlasten, was beispielsweise bei Transportfahrt der Arbeitsmaschine zweckmäßig ist, damit die Druckquelle, eine Verstellpumpe oder eine Konstantpumpe, nicht auf Lastdrucksignal-Schläge reagiert, die sich aus Fahrbewegungen oder dgl. ergeben, und das Hubwerk mit daran angebautem Gerät zum Pendeln bringen könnten.
Im Falle eines einseitig beaufschlagbaren Hydromotors ist zweckmäßig der Lastdruck-Signalkreis, vorzugsweise über ein Wechselventil, nur an den Hebenstrang anschließbar. Im Falle eines doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotors ist hingegen der Lastdruck-Signalkreis über ein weiteres Wechselventil stromab des jeweiligen Proportional-Druckregelsitzventils und druckabhängig an den Hebenstrang oder den Senkenstrang anschließbar.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird in der Druckvorsteuerung des Proportional-Druckregelsitzventils aus dem Lastdruck hydraulisch eine zumindest auf einen Anker des Proportionalmagneten einwirkende Regelkraft generiert. Damit kann der Proportionalmagnet eindeutiger und rascher ansprechend regeln, als mit Lastdrucksignalen aus dem Lastdruck-Signalkreis. Dabei wird vorzugsweise der Verlauf der variierenden Regelkraft derart gewählt, dass bei jedem eingestellten Wert der Bestromung des Proportionalmagneten die zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite strömende Menge unabhängig von zumindest Änderungen des Lastdrucks entweder konstant haltbar oder sogar anwenderspezifisch regelbar ist. Anwenderspezifisch regelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass in bestimmten Anwendungsfällen keine absolut lastdruckunabhängige Regelung gewünscht wird, sondern an benutzerspezifische Anforderungen angepasst zu regeln. Dies kann beispielsweise Anwendungsfälle betreffen, bei denen nur über einen Teilbereich des Stellhubs des Proportionalmagneten die Menge konstant bleiben soll, und außerhalb dieses Teilbereiches nach anderen Anforderungen zu regeln ist. So kann der Kraftverlauf linear oder als gekrümmte Kurve eingestellt werden, wobei entscheidend ist, dass die Regelung der Menge in jedem Fall unabhängig vom Lastdruck oder von Änderungen des Lastdrucks erfolgt. Im Übrigen kann das Proportional-Druckregelsitzventil so ausgewählt sein, dass es entweder stromlos offen oder stromlos geschlossen ist.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist das lastdruckunabhängig steuerbare Proportional-Druckregelsitzventil einen Ventilsitz zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite auf, einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden, eine Sitzfläche aufweisenden Hauptkolben, der in einer Steuerkammer abgedichtet verschiebbar ist, ein aus einem Pilotsitz im Hauptkolben und einem Pilotkegel bestehendes Druckvorsteuerungs-Pilotventil zwischen der Steuerkammer und der Niederdruckseite, eine den Pilotkegel beaufschlagende Regelfeder und einen mit dem Anker das Pilotventil betätigenden Proportionalmagneten, der bestromt in zumindest einer Stellrichtung seines Stellhubs gegenüber einer Ausgangsstellung mit dem Pilotkegel koppelbar ist, wobei zwischen der Lastdruckseite und der Steuerkammer eine Strömungsverbindung mit einer Festdrossel und zwischen der Festdrossel und der Steuerkammer eine Stelldrossel vorgesehen sind, wobei die Größe der Stelldrossel bei geöffnetem Pilotventil über den Stellhub des Ankers variabel ist, und die Stelldrossel aus dem Lastdruck direkt oder über den Pilotkegel am Anker die von der Druckdifferenz zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite abhängige Regelkraft erzeugt. Da die variierende Regelkraft dann dem Proportionalmagneten eine Rückmeldung bezüglich des tatsächlich wirkenden Lastdrucks liefert, kann der Proportionaimagnet über die Druckvorsteuerung vollständig lastdruckunabhängig die jeweilige Menge regeln. Die Stelldrossel, deren momentane Größe von der Position des Ankers abhängt, zwingt bei geöffnetem Pilotventil den Anker die Regelkraft auf, die eine aussagefähige Rückmeldung zum Wert der Druckdifferenz zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite ist, so dass der Proportionalmagnet im Zusammenspiel mit der Regelfeder entweder vollständig lastunabhängig oder sogar entsprechend benutzerspezifischen Anforderungen lastunabhängig regeln kann. Die Regelkraft ist ein zusätzlicher Regelparameter als definierte Information zur Druckdifferenz zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite oder zu Lastdruck-Änderung, um die Menge ideal lastunabhängig regeln zu können.
Abhängig davon, ob das Proportional-Druckregelsitzventil stromlos absperrt oder stromlos durch die Regelfeder offengehalten wird, wirkt die über die Stelldrossel hydraulisch erzeugte Regelkraft am Anker entweder in Schließrichtung oder in Öffnungsrichtung des Pilotventils, d.h., entgegengesetzt zu der Wirkungsrichtung des Ankers bei bestromtem Proportionalmagneten, so dass der Proportionalmagnet die Regelkraft als eindeutig identifizierbaren Regelparameter abgreift.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem Anker und der mit der Festdrossel kommunizierenden, ein Ende des Ankers aufnehmenden Steuerkammer eine Hilfssteuerkammer vorgesehen, die von der Steuerkammer durch eine einen Durchgang aufweisende Trennwand separiert ist, durch welchen sich der Pilotkegel bis in die Steuerkammer erstreckt. Um die Regelkraft zu generieren, weist der Pilotkegel einen Steuerflächenabschnitt auf, der in Richtung zum Pilotsitz und relativ zu einer Achse des Pilotkegels allmählich ansteigt, wobei die Stelldrossel durch den Steuerflächenabschnitt und den Durchgang definiert wird. Diese Ausbildung ist zweckmäßig für ein Proportional-Druckregelsitzventil, das stromlos in Sperrstellung ist. Da sich die Stelldrossel mit zunehmendem Stellhub des Pilotkegels in Öffnungsrichtung allmählich verengt, entsteht ein Drosseleffekt mit einer Strömungsdynamik, die aus dem Lastdruck die Regelkraft hydraulisch erzeugt. Der Anker selbst ist zweckmäßig, beispielsweise bezogen auf den Druck in der Hilfssteuerkammer, druckausgeglichen, so dass die Regelkraft durch keine verfälschenden Kräfte am Anker beeinflusst wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform erstreckt sich der Anker bis in die Steuerkammer, wobei er mit wenigstens einem Dichtabschnitt in einem stationären Dichtabschnitt abgedichtet verschiebbar ist, der die Steuerkammer begrenzt und mit der Festdrossel kommuniziert. Die Stelldrossel wird zwischen den Dichtabschnitten definiert, so dass die Regelkraft aus dem Lastdruck direkt am Anker hydraulisch generieret wird.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Anker und eine Führungsbohrung jeweils der Steuerkammer abgewandt einen ersten Dichtabschnitt mit größerem Wirkdurchmesser und der Steuerkammer zugewandt einen zweiten Dichtabschnitt mit kleinerem Wirkdurchmesser aufweisen. Der erste Dichtabschnitt des Ankers begrenzt eine gegenüber der Steuerkammer abgedichtete und mit der Lastdruckseite kommunizierende Ringkammer. Die Festdrossel ist zwischen den ersten und zweiten Dichtabschnitten angeordnet, so dass sie in die Führungsbohrung mündet. Der Anker weist hier in dem zweiten Dichtabschnitt einen in Richtung zur Steuerkammer schräg abfallenden Steuerflächenabschnitt auf, wobei an der zur Steuerkammer weisenden Seite der Festdrossel in der Führungsbohrung zwischen den Dichtabschnitten eine umlaufende Steuerkante vorgesehen ist, die mit dem Steuerflächenabschnitt des Anker die hier blendenartig ausgebildete Stelldrossel definiert. Die blendenartige Zusammenwirkung zwischen der Steuerkante und dem Steuerflächenabschnitt am Anker ermöglicht eine exakte Vorbestimmung des hubabhängig variierenden Verlaufs der Regelkraft.
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung eines Hubwerks einer fahrbaren Arbeitsmaschine, als Blockschaltbild mit zugeordnetem Wirkschema,
Fig. 2: eine weitere Ausführungsform der elektrohydraulischen Steuervorrichtung für das Hubwerk von Fig. 1,
Fig. 3: eine elektrohydraulische Steuervorrichtung in einer anderen Ausführungs-form für ein Hubwerk mit einem doppelt wirkend beaufschlagbaren Hydro-motor,

Fig.4: ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der elektrohydraulischen Steuervorrichtung für das Hubwerk der Fig. 3,
Fig.5: einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines Proportional-Druckregelsitzventils, in drucklosem Zustand, und
Fig. 6: eine weitere Ausführungsform eines Proportional-Druckregelsitzventils, in drucklosem Zustand.

Eine fahrbare Arbeitsmaschine M gemäß Fig. 1 weist ein Hubwerk H (am Heck oder an der Front oder an einer Seite) auf, das mittels wenigstens eines einseitig beaufschlagbaren Hydromotors Z über eine elektrohydraulische Steuervorrichtung EHR steuerbar und/oder regelbar ist, und zwar mittels eines elektrischen oder elektronischen Steuergerätes CU. Das Steuergerät CU kann beispielsweise eine CAN-Recheneinheit sein, die ihre Versorgungsspannung über eine Leitung 33 erhält, bei 34 zu Schnittstellen führt, und Ausgänge 35 aufweist. Das Steuergerät CU ist mit elektrischen oder elektronischen Komponenten in der Arbeitsmaschine M und/oder der Steuervorrichtung EHR verbunden, und kann eine nicht gezeigte Eingabe- und Anzeigesektion umfassen.
Der Hydromotor Z ist beispielsweise ein Differentialzylinder, dessen kolbenseitige Kammer über eine Arbeitsleitung 36 an einen Ausgang 44 der Steuervorrichtung EHR angeschlossen ist.
Die Steuervorrichtung EHR weist einen Hebenstrang 37 und einen Senkenstrang 38 auf und ist an einen Lastdruck-Signalkreis LS sowie eine Druckquelle P (Konstantpumpe oder Regelpumpe) und einen Tank R angeschlossen. Von der Druckquelle P führt eine Druckleitung 39 zum Hebenstrang 37, während vom Anschluss 44 eine Senkenleitung 45 zu einer Tankleitung 46 führt. Im Hebenstrang 37 und, vorzugsweise, im Senkenstrang 38 ist jeweils ein Proportional-Druckregelsitzventil 41 bzw. 50 mit einem Proportionalmagneten 2, 2' (PE1, PE2 deuten die jeweilige Bestromung an) und einer Druckvorsteuerung 43, beispielsweise mit einem vom Proportionalmagneten betätigten Druckminderventil auf. Zumindest das Proportional-Druckregelsitzventil 41 im Hebenstrang ist lastdruckunabhängig betreibbar. Zweckmäßig ist das Proportional-Druckregelsitzventil 50 im Senkenstrang 38 ebenfalls vollständig lastunabhängig betreibbar (lastdruckkompensiert). Im Hebenstrang 37 sind stromauf und stromab des Proportional-Druckregelsitzventils 41 Rückschlagventile 40 angeordnet, die in Rückströmrichtung sperren. Optional kann an den Hebenstrang 37 ein hydropneumatischer Gasdruckspeicher 48 angeschlossen sein, der über ein in Abströmrichtung sperrendes Rückschlagventil 40' an den Anschluss 44 angeschlossen ist. Der Druck am Anschluss 44 wird über einen Drucksensor 49 an das Steuergerät CU gemeldet. Dem Hubwerk H kann ein Wegsensor 52 sowie ein Kraftsensor 51 zugeordnet sein, die ebenfalls an das Steuergerät CU angeschlossen sind, wie auch die Proportionalmagneten 2, 2' und gegebenenfalls ein nicht gezeigter Antrieb der Druckquelle P. Der Hebenstrang 37 und der Senkenstrang 38 sind ferner gemeinsam an eine Leitung 53 angeschlossen, die zur Tankleitung 46 führt und in Fig. 1 ein Sekundär-Druckbegrenzungsventil 47 enthält, dessen Ansprechdruck zweckmäßig verstellbar ist. Das Proportional-Druckregelsitzventil 41 ist so verschaltet, dass es gegen den Druck in der Druckleitung 39 sperrt, während das Proportional-Druckregelventil 50 so verschaltet ist, dass es gegen den Lastdruck in der Steuerleitung 54 sperrt. Der Lastdruck-Signalkreis LS ist über ein Wechselventil 57 an die Druckleitung 39 stromab des Proportional-Druckregelsitzventils 41 angeschlossen.
Die in Fig. 2 gezeigte, alternative Ausführungsform der elektrohydraulischen Steuervorrichtung EHR für das Hubwerk H von Fig. 1 unterscheidet sich von der der Fig. 1 dadurch, dass anstelle des z.B. manuell einstellbaren Sekundär-Druckbegrenzungsventils 47 in der Leitung 53 zum Tank R ein fernverstellbares Druckbegrenzungsventil 47' mit einem Proportionalmagneten 55 vorgesehen ist (Bestromung angedeutet durch PE3).
In der Ausführungsform in Fig. 1 kann das Sekundär-Druckbegrenzungsventil 47 von Hand auf den jeweils erforderlichen Ansprechdruck eingestellt werden, während das Sekundär-Druckbegrenzungsventil 47' in Fig. 2 durch den Proportionalmagneten 55 selbst im Betrieb, zweckmäßig überwacht durch den Drucksensor 49, z.B. über das Steuergerät CU verstellt werden kann.
Fig. 3 verdeutlicht eine fahrbare Arbeitsmaschine M mit einem Hubwerk H mit wenigstens einem doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotor Z, beispielsweise einem Differentialzylinder, dessen kolbenseitige und kolbenstangenseitige Kammern über zwei Arbeitsleitungen 36 und 56 mit der elektrohydraulischen Steuervorrichtung EHR verbunden sind. Im über die Leitung 45 mit der Druckleitung 39 verbundenen Senkenstrang 38 ist das Proportional-Druckregelsitzventil 50' hier so verschaltet, dass es gegen den Druck in der Druckleitung 39 sperrt. Der Lastdruck-Signalkreis LS ist über ein weiteres Wechselventil 58 an beide Arbeitsleitungen 36, 56 angeschlossen. Beim Senken wird Hydraulikmedium entweder in den optional vorhandenen Gasdruckspeicher 48 eingespeist, oder zur Energieeinsparung in die Leitung 45 rückgeführt, sobald das Proportional-Druckregelsitzventil 50' durch seinen Proportionalmagneten 2' aufgesteuert ist (PE2). Das Sekundär-Druckbegrenzungsventil 47' ist hier mittels des Proportionalmagneten 55 (Bestromung PE3) verstellbar und getrennt vom Senkenstrang 38 direkt an die Tankleitung 46 angeschlossen.
Die Ausführungsform der elektrohydraulischen Steuervorrichtung EHR in Fig. 4 unterscheidet sich von der der Fig. 3 dadurch (ebenfalls für das Hubwerk H der Fig. 3 mit dem doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotor Z), dass der optional einsetzbare Gasdruckspeicher 48 hier fehlt, und anstelle des Sekundär-Druckbegrenzungsventils 47' ein Umschaltventil 49 vorgesehen ist, das in der Leitung 53 zur Tankleitung 46 so verschaltet ist, dass es unbestromt die Steuerleitung 54 zum Lastdruck-Signalkreis LS durchgängig hält und gleichzeitig die Leitung 53 zur Tankleitung 46 absperrt, oder bestromt (PE3) über einen Schwarz/Weiß-Magneten 60 sowohl die Leitung 53 als auch die Steuerleitung 54 miteinander und mit der Tankleitung 46 verbindet.
Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils ein Proportional-Druckregelsitzventil 41, 50, 50', wie es z.B. in der elektrohydraulischen Steuervorrichtung EHR der Fig. 1 bis 4 zumindest im Hebenstrang 37 eingesetzt werden kann, um eine präzise lastunabhängige Mengenregelung feinfühlig zu ermöglichen. Es ist eine Einschraubpatronen-Bauweise E dargestellt, obwohl alternativ eine herkömmliche Blockbauweise möglich ist.
Die in Fig. 5 gezeigte Einschraubpatrone E ist mit einem den Proportionalmagneten 2, 2' tragenden Einschraubkörper 1 in eine Stufenbohrung 6 (mit einem Innengewindeabschnitt) eines Blocks 5 eingeschraubt, in welchem sich Kanäle 7, 8 schneiden, die der Lastdruckseite bzw. der Niederdruckseite entsprechen (z.B. dem Hebenstrang 37 oder Senkenstrang 38 und der Druckleitung 39 in den Fig. 1 bis 4).
Der Proportionalmagnet 2, 2' weist einen Anker 3 auf, der unter Bestromung relativ zu einem stationären Magnetteil 4 aus der gezeigten Stellung nach oben bewegt wird und dabei eine vom Wert der Bestromung abhängige Kraft entwickelt. Der Einschraubkörper 1 ist in Dichtbereichen 7, 8 abgedichtet und enthält einen abgedichteten Hülsenkörper 9, in welchem ein Hauptkolben 10 abgedichtet verschiebbar ist. Der Hauptkolben 10 weist eine Dichtfläche 11 auf, beispielsweise eine konische oder als Fase ausgebildete Dichtfläche und, vorzugsweise, einen annähernd zylindrischen oder leicht konischen Mengenregelfortsatz 32, der in einen Ventilsitz 12 des Hülsenkörpers 9 eintaucht. Eine Bohrung 13 im Hauptkolben 10 führt zu einem Pilotsitz 14 einer vorbestimmten Querschnittsgröße. Eine Steuerkammer 15 oberhalb des Hauptkolbens 10 ist durch eine Trennwand T einer Hülse 16 begrenzt.
Im Einschraubkörper 1 ist eine Verbindung 18 zur Lastdruckseite vorgesehen, die eine Festdrossel F einer bestimmten Querschnittsgröße enthält. Die Querschnittsgröße der Festdrossel F ist kleiner als die Querschnittsgröße des Pilotsitzes 14. Der Anker 3 taucht mit seinem unteren Ende lose in die Hülse 16 ein und begrenzt mit der Trennwand T eine Hilfssteuerkammer 17, die über einen Durchgang 19 mit der Festdrossel F kommuniziert. In der Hülse 16 kann optional ein weiterer Durchgang 20 zwischen der Festdrossel F und der Hilfssteuerkammer 17 vorgesehen sein.
In einer mit Übermaß ausgebildeten Innenbohrung des Ankers 3 ist ein stößelförmiger Pilotkegel 21 angeordnet, der oben einen durchbohrten Endflansch 22 zur Zusammenwirkung mit einer Mitnehmerschulter 22' im Anker 3 aufweist, wobei der Endflansch 22 durch eine Regelfeder 23 nach unten beaufschlagt wird, die sich an dem Magnetkörper 4 abstützt. Optional ist ein Vorspann-Einstellkörper 24, z.B. eine Hülse, vorgesehen, entweder wie gezeigt, zwischen dem Endflansch 22 und der Regelfeder 23 oder zwischen der Regelfeder 23 und dem Magnetkörper 4. Somit ist der Anker 3 bezüglich des Drucks in der Hilfssteuerkammer 17 druckausgeglichen.
Zwischen der Festdrossel F bzw. der Hilfssteuerkammer 17 und der Steuerkammer 15 ist eine Stelldrossel S vorgesehen, deren momentane Größe von der relativen Hubstellung des Pilotkegels 21 bzw. des Ankers 3 in Bezug beispielsweise auf den Ventilsitz 12 abhängt. Die Stelldrossel S wird durch einen Durchgang 25 in der Trennwand T und einem Steuerflächenabschnitt 26 am Pilotkegel 21 definiert, der zur Zusammenarbeit mit dem Pilotsitz 14 den Durchgang 25 durchsetzt. Der Steuerflächenabschnitt 26 ist relativ zur Achse des Pilotkegels und in Richtung zum Pilotsitz 14 schräg ansteigend ausgebildet. Beispielsweise ist der Steuerflächenabschnitt 26 eine annähernd konische Verdickung des im Querschnitt runden Pilotkegels 21, wobei die Erzeugende des Steuerflächenabschnittes 26 eine gerade oder eine konvexe oder konkave Kurve oder aus geradlinigen und/oder gekrümmten Abschnitten zusammengesetzt sein kann.
Je weiter der Pilotkegel 21 mit dem Anker 3 bei bestromtem Proportionalmagneten gegenüber der gezeigten Absperrstellung nach oben bewegt wird, desto enger wird der Querschnitt der Stelldrossel S. Bei geöffnetem Pilotventil und sinkendem Druck in der Steuerkammer 15 wird aus dem Druck in der Hilfssteuerkammer 17, wie aus dem Lastdruck über die Festdrossel F eingestellt, hydraulisch eine variierende Regelkraft K erzeugt, die am Anker 3 in Schließrichtung des Pilotventils wirkt. Die Regelkraft K stellt eine Rückmeldung des Lastdruckes an der Lastdruckseite dar und wird vom Proportionalmagneten 2 als weiterer Regelparameter bei geöffnetem Pilotventil gegen die Kraft der Regelfeder 23 verwendet, um eine exakte Mengenregelung vollständig unabhängig vom Lastdruck auszuführen.
Liegt an der Lastdruckseite Lastdruck an, dann wird in stromlosem Zustand des Proportionalmagneten 2, 2' der Pilotsitz 14 vom Pilotkegel 21 verschlossen (Regelfeder 23) der über die Festdrossel F und die weit geöffnete Stelldrossel S in der Steuerkammer 15 aus dem Lastdruck aufgebaute Druck drückt den Hauptkolben 10 auf den Ventilsitz 12.
Wird der Proportionalmagnet 2, 2' mit einem bestimmten Stromwert bestromt, der einer bestimmten Geschwindigkeit des Hydromotors Z entspricht, dann generiert der Anker 3 gegen die Regelfeder 23 eine nach oben gerichtete Zugkraft, die dem Pilotkegel 21 vom Pilotsitz 14 abhebt, so dass der Druck in der Steuerkammer 15 zur Niederdruckseite bzw. den Kanal 8 abfällt. Der Querschnitt der Stelldrossel S verengt sich, so dass die Regelkraft K mit einem der Hubstellung des Ankers 3 entsprechenden Wert gegen die Kraft der Regelfeder am Anker 3 wirkt. Da der Lastdruck aus dem Kanal 7 am Hauptkolben 10 auf einem Kreisringquerschnitt wirkt, der durch den Außendurchmesser des Hauptkolbens 10 und den Durchmesser des Ventilsitzes 12 definiert ist, wird der Hauptkolben 10 vom Ventilsitz 12 gehoben. Hydraulikmedium strömt vom Kanal 7 zum Kanal 8. Der Hauptkolben 10 nähert sich dabei dem Pilotkegel 21, so dass der Pilotsitz 14 abgedrosselt oder schließlich verschlossen wird, und sich ein Gleichgewicht zwischen der Regelkraft K, der Kraft der Regelfeder 23, und der Magnetkraft des Ankers 3 einstellt, und eine Druckdifferenz zwischen dem Lastdruck im Kanal 7 und dem Druck im Kanal 8 entsteht, die einer bestimmten Menge und damit der gewünschten Geschwindigkeit des Hydromotors Z entspricht. Der Wert der Druckdifferenz wird bei gleichbleibender Bestromung nun z.B. durch eine Regelung unabhängig von zumindest Änderungen des Lastdrucks konstant gehalten. Steigt der Lastdruck (Vergrößerung der Druckdifferenz), dann nimmt die Regelkraft K zu, und steigt der Druck in der Steuerkammer 15, so dass der Hauptkolben 10 am Ventilsitz 12 stärker abdrosselt und die Menge wiederum konstant hält. Sinkt der Lastdruck im Kanal 7, dann nimmt die Regelkraft K ab und wird der Druck in der Steuerkammer 15 vermindert, so dass der Hauptkolben 10 am Ventilsitz 12 weniger abdrosselt und wiederum die Menge konstant gehalten wird. Bei dieser Mengenregelung wirkt der Fortsatz 32 im Ventilsitz 12 mit.
Wird die Bestromung erhöht, dann drosselt die Stelldrossel S weiter ab, so dass die Regelkraft K anwächst, bis sich erneut ein Gleichgewicht einstellt und für den neuen Stromwert eine vom Lastdruck unabhängige Mengenregelung für nun eine größere Menge oder andere Druckdifferenz erfolgt.
Umgekehrt wird bei einer geringeren Bestromung die Regelkraft K verringert, weil die Regelfeder 23 den Pilotkegel 21 weiter nach unten schiebt, bis sich erneut ein Gleichgewicht einstellt und die Menge unter Berücksichtigung der Regelkraft K konstant gehalten wird. Die Regelkraft K wird hier am Pilotkegel 21 hydraulisch erzeugt und über den Endflansch 22 und die Mitnehmerschulter 22' auf den Anker 3 übertragen.
Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform des Proportional-Druckregelsitzventils 2, 2' (stromlos absperrend) unterscheidet sich von der der Fig. 5 dadurch, dass die Regelkraft K direkt am Anker 3 erzeugt wird, wofür die Stelldrossel S zwischen dem Anker 3 und der Hülse 16' angeordnet und so definiert ist, dass der Querschnitt der Stelldrossel S nur von der Hubstellung des Ankers 3 bei bestromtem Proportionalmagneten 2, 2' abhängt.
Die Festdrossel F mündet in Fig. 6 in der Hülse 16' an einer Schulter 29 zwischen einem obenliegenden ersten Dichtabschnitt 26 mit größerem Wirkdurchmesser und einem unteren zweiten Dichtabschnitt 27 mit kleinerem Wirkdurchmesser. In der Hülse 16' ist innen eine Steuerkante 31 vorgesehen. Ein seitlicher Durchgang 20 in der Hülse 16' verbindet unter Umgehen der Festdrossel F den Kanal 7 mit einer Ringkammer 25, die von einem obenliegenden Abschnitt des Ankers 3, dem Einschraubkörper 1 und dem oberen ersten Dichtabschnitt 26 der Hülse 16' begrenzt wird. Der Durchgang 20 dient einem Druckausgleich für den oberen Teil des Ankers 3, der mit seinem unteren Ende in die Steuerkammer 15 eintaucht, d.h., einem Druckausgleich bezüglich des Drucks im Kanal 7 bzw. in der Steuerkammer 15.
Am Anker 3 ist ebenfalls ein oberer erster Dichtabschnitt 30 mit größerem Wirkdurchmesser und ein der Steuerkammer 15 zugewandter unterer zweiter Dichtabschnitt 28 mit kleinerem Wirkdurchmesser ausgebildet, zwischen denen eine konische Schulter geformt sein kann. Die Dichtabschnitte 30, 28 am Anker 3 wirken mit den Dichtabschnitten 26 und 27 der Hülse 16' zusammen. Im Dichtabschnitt 28 des Ankers 3 ist ein Steuerflächenabschnitt 26' vorgesehen, der sich beispielsweise als geradlinig oder gekrümmt in Richtung zum Hauptkolben 10 abfallende Längsrille oder Steuerkerbe (alternativ eine konische Fläche) darstellt, und blendenartig mit der Steuerkante 31 als die Stelldrossel zusammenwirkt, und zwar direkt stromab der Festdrossel F. Ist bei bestromtem Proportionalmagneten 2, 2' der Pilotkegel 21 vom Pilotsitz abgehoben, dann sinkt wegen des zunehmenden Querschnittes der Stelldrossel S und der Wirkung der Festdrossel F der Druck in der Steuerkammer 15 relativ zum Druck in der Ringkammer 25. Über die Stelldrossel S entsteht die in Schließrichtung orientierte Regelkraft K direkt am Anker, da der Lastdruck in der Ringkammer 25 auf einer Kreisringfläche zwischen dem kleineren Querschnitt des oberen Endes des Ankers 3 und dem größeren Querschnitt des Dichtabschnittes 30 nach unten wirkt, während der über die Festdrossel F und den momentanen Querschnitt der Stelldrossel S gegenüber dem Lastdruck verringerte Druck in der Steuerkammer 15 auf derselben Kreisringfläche nach oben wirkt. Die die Regelkraft K erzeugende Druckdifferenz entsteht dadurch, dass die Festdrossel F und die Stelldrossel S zur druckentlasteten Steuerkammer 15 abdrosselt, während die Ringkammer 25 unter Umgehen der Festdrossel F direkt mit dem Lastdruck aus dem Kanal 7 beaufschlagt wird. Der Proportionalmagnet 2, 2' regelt die Menge, die vom Kanal 7 in den Kanal 8 strömt vollständig lastunabhängig.
Der Verlauf der Regelkraft K kann eine Gerade sein, um die Menge unabhängig vom Wert der Druckdifferenz konstant zu halten. Falls eine Regelung entsprechend anwenderspezifischen Anforderungen erforderlich ist, kann durch entsprechende Gestaltung der Stelldrossei S bzw. Wahl des Verlaufs der Regelkraft K über den Stellhub eine schräggestellte Gerade oder eine gekrümmte Verlaufskurve eingestellt werden, beispielsweise durch die entsprechende Gestaltung des Steuerflächenabschnittes 26, 26'. In jedem Fall wird dem Proportionalmagneten 2, 2' über die Regelkraft K eine Rückmeldung zum momentanen Lastdruck aufgezwungen, damit der Proportionalmagnet die Menge unabhängig vom Lastdruck regelt.
Alternativ zu den Proportional-Druckregelsitzventilen 41, 50, 50' der Fig. 5 und 6 können unter Umständen auch Proportional-Druckregelsitzventile verwendet werden, die beispielsweise aus EP 0 837 275 A und EP 0 893 607 A der Anmelderin bekannt sind.

Claims

Elektrohydraulische Steuervorrichtung (EHR) eines wenigstens einen einseitig oder doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotor (Z) aufweisenden Hubwerks (H) einer fahrbaren Arbeitsmaschine (M), wobei die Steuervorrichtung (EHR) einen Hebenstrang (37) und einen Senkenstrang (38) jeweils mit einem Proportional-Druckregelsitzventil mit leckagefreier Sperrstellung für den Lastdruck, einen Lastdrucksignalkreis (LS) sowie ein elektrisches Steuergerät (CU) aufweist, das mit den Proportionalmagneten (2, 2', 55), und Istzustände meldenden Sensoren (49, 51, 52) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das im Hebenstrang (37) angeordnete Proportional-Druckregelsitzventil (41, 50, 50') mit einer Druckvorsteuerung (43) ausgebildet und vom Proportionaimagenten (2, 2') lastdruckkompensierend betätigbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch das im Senkenstrang (38) angeordnete Proportional-Druckregelsitzventil (50, 50') mit einer Druckvorsteuerung ausgebildet und vom Proportionalmagneten (2') lastdruckkompensierend betätigbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hebenstrang (37) stromauf des Proportional-Druckregelsitzventils an einen hydropneumatischen Gasdruckspeicher (48) angeschlossen ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebenstrang (37) über ein Senkundär-Druckbegrenzungsventil (47, 47') oder ein Umschaltventil (59) mit einem Tank (R) verbindbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundär-Druckbegrenzungsventil (47') durch einen Proportionalmagneten (55) verstellbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (59) ein Schwarz/Weiß-Magnetschaltventil ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (59) ein 2/4-Magnetschaltventil ist, das in einer Schaltstellung den Hebenstrang (37) gegenüber einem Tank (R) sperrt und den Lastdruck-Signalkreis (LS) offen hält, und in der anderen Schaltstellung den Hebenstrang (37) und den Lastdruck-Signalkreis (LS) zum Tank (R) entlastet.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen einseitig beaufschlagbaren Hydromotor (Z) der Lastdruck-Signalkreis (LS), vorzugsweise über ein Wechselventil (57), nur an den Hebenstrang (37), oder für einen doppelseitig beaufschlagbaren Hydromotor (Z) über ein weiteres Wechselventil (53) stromab des jeweiligen Proportional-Druckregelsitzventils druckabhängig an den Hebenstrang (37) oder den Senkenstrang (38) anschließbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckvorsteuerung (43) des Proportional-Druckregelsitzventils aus dem Lastdruck hydraulisch eine zumindest auf einen Anker (3) des Proportionalmagneten (2, 2') einwirkende Regelkraft (K) generiert wird, vorzugsweise derart, dass bei jedem eingestellten Wert einer Bestromung des Proportionalmagneten (2, 2') die zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite strömende Menge unabhängig von zumindest Änderungen des Lastdrucks entweder konstant haltbar oder anwenderspezifisch regelbar ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lastdruckunabhängig betätigbare Proportional-Druckregelsitzventil (41, 50, 50') ausgebildet ist mit einem Ventilsitz (12) zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite, einem mit dem Ventilsitz (12) zusammenwirkenden, eine Sitzfläche (11) aufweisenden Hauptkolben (10), der in einer Steuerkammer (15) aus der Absperrstellung am Ventilsitz abgedichtet verschiebbar ist, einem aus einem Pilotsitz (14) im Hauptkolben (10) und einem mit dem Pilotsitz (14) zusammenwirkenden Pilotkegel (21) bestehenden Druckvorsteuerungs-Pilotventil zwischen der Steuerkammer (15) und der Niederdruckseite, einer den Pilotkegel (21) beaufschlagenden Regelfeder (23), und dem das Pilotventil mit dem Anker (3) betätigenden Proportionalmagneten (2, 2'), der bei Bestromung in zumindest einer Stellrichtung seines Stellhubes gegenüber einer Ausgangsstellung mit dem Pilotkegel (21) koppelbar ist, wobei zwischen der Lastdruckseite und der Steuerkammer (15) eine Strömungsverbindung (18) mit einer Festdrossel (F) und zwischen der Festdrossel (F) und der Steuerkammer (15) eine Stelldrossel (S) vorgesehen sind, wobei die Größe der Stelldrossel (S) bei geöffnetem Pilotventil über den Stellhub des Ankers (3) variabel ist, und die Stelldrossel (S) aus dem Lastdruck direkt oder über den Pilotkegel (21) am Anker (3) die von der Druckdifferenz zwischen der Lastdruckseite und der Niederdruckseite abhängige Regelkraft (K) erzeugt.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelfeder (23) den Pilotkegel (21) in Schließrichtung beaufschlagt, dass der bestromte Proportionalmagnet (2, 2') den Pilotkegel (21) mit dem Anker (3) in Öffnungsrichtung des Pilotventils beaufschlagt, und dass die über die Stelldrossel (S) hydraulisch erzeugte Regelkraft (K) am Anker (3) in Schließrichtung des Pilotventils wirkt.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelfeder den Pilotkegel in Öffnungsrichtung beaufschlagt, dass der bestromte Proportionalmagnet den Pilotkegel mit dem Anker in Schließrichtung beaufschlagt, und dass die mit der Stelldrossel (S) hydraulisch erzeugte Regelkraft (K) am Anker in Öffnungsrichtung des Pilotventils wirkt.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anker (3) und der mit der Festdrossel (F) kommunizierenden, ein Ende des Ankers (3) aufnehmenden Steuerkammer (15) eine Hilfssteuerkammer (17) vorgesehen ist, die von der Steuerkammer (15) durch eine einen Durchgang (25) aufweisenden Trennwand (T) separiert wird, durch welchen Durchgang (25) sich der Pilotkegel (21) bis in die Steuerkammer (15) erstreckt, dass der Pilotkegel (21) einen Steuerflächenabschnitt (26) aufweist, der in Richtung zum Pilotsitz (14) und relativ zu einer Achse des Pilotkegels (21) allmählich ansteigt, und dass die Steildrossel (S) durch den Steuerflächenabschnitt (26) und den Durchgang (25) definiert ist.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anker (3) bis in die Steuerkammer (15) erstreckt und mit wenigstens einem Dichtabschnitt (28, 30) in einem stationären Dichtabschnitt (26, 27) abgedichtet verschiebbar ist, der die Steuerkammer (15) begrenzt und mit der Festdrossel (F) kommuniziert, und dass die Stelldrossel (S) zwischen den Dichtabschnitten (28, 30, 26, 27) definiert wird.
Elektrohydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) und eine Führungsbohrung jeweils der Steuerkammer (15) abgewandt den ersten Dichtabschnitt (26, 30) mit größerem Wirkdurchmesser, und der Steuerkammer (15) zugewandten zweiten Dichtabschnitt (27, 28) mit kleinerem Wirkdurchmesser aufweisen, von denen der erste Dichtabschnitt (30) des Ankers (3) eine gegenüber der Steuerkammer (15) abgedichtete und mit der Lastdruckseite kommunizierende Ringkammer (25) begrenzt, dass die Festdrossel (F) zwischen den ersten und zweiten Dichtabschnitten (26, 27) in die Führungsbohrung mündet, dass der Anker (3) in dem zweiten Dichtabschnitt (28) einen in Richtung zur Steuerkammer (15) schräg abfallenden Steuerflächenabschnitt (26') aufweist, und dass an der zur Steuerkammer (15) weisenden Seite der Festdrossel (F) zwischen den ersten und zweiten Dichtabschnitten (26, 27) eine umlaufende Steuerkante (31) vorgesehen ist, die mit dem Steuerflächenabschnitt (26) die hier blendenartig ausgebildete Stelldrossel (S) definiert.