EP2601416A2 - Druckmittelsystem, insbesondere hydrauliksystem - Google Patents

Druckmittelsystem, insbesondere hydrauliksystem

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EP2601416A2
EP2601416A2 EP12728408.1A EP12728408A EP2601416A2 EP 2601416 A2 EP2601416 A2 EP 2601416A2 EP 12728408 A EP12728408 A EP 12728408A EP 2601416 A2 EP2601416 A2 EP 2601416A2
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pump
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Winfried Ehrhardt
Georg WESTERHAGEN
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Ludwig Ehrhardt GmbH
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  • Device-dependent constant which reflects the inertia of the fluid pump and the drive motor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckmittelsystem, insbesondere ein Hydrauliksystem, mit einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom und einem bestimmten Fluiddruck (PIST), einer Steuereinheit (8), welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen, wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks (PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

Druckmittelsystem, insbesondere Hydrauliksystem Die Erfindung betrifft ein Druckmittelsystem, insbesondere ein Hydrauliksystem einer Spannvorrichtung zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern, wie beispielsweise Werkstückpaletten. Derartige Spannvorrichtungen mit einem Hydrauliksystem sind beispielsweise aus DE 31 36 177 AI bekannt und enthalten eine Hydraulikpumpe, einen Drucksensor und ein Druckbegrenzungs¬ ventil sowie eine Steuereinheit. Die Hydraulikpumpe erzeugt den zum Betrieb der Spannvorrichtung erforderlichen Hydraulikdruck, wobei die Hydraulikpumpe beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben werden kann . Das Druckbegrenzungsventil ist zwischen der Hydraulikpumpe und dem hydraulischen Verbraucher der Spannvorrichtung angeordnet und führt das Hydrauliköl beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts in einen Hydrauliköltank zurück, um den Hydraulikdruck auf den zugelassenen Maximalwert zu be- grenzen.
Diese Druckbegrenzung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Hydraulikpumpe aufgrund einer Störung einen größeren Volumenstrom fördert als zur Aufrechterhaltung eines vorgege- benen Soll-Werts erforderlich ist.
Darüber hinaus kann diese Druckbegrenzung aber auch erforderlich sein, wenn sich das in dem Hydrauliksystem eingeschlossene Hydrauliköl aufgrund einer Erwärmung ausdehnt, was mit einem entsprechenden Druckanstieg verbunden ist. Die Steuereinheit misst mittels des Drucksensors den von der Hydraulikpumpe erzeugten Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe ein, wenn der Hydraulikdruck einen vorgegebenen Mindestwert (Einschaltdruck) unterschreitet. Bei dem anschließenden Druckaufbau misst die Steuereinheit mittels des Drucksensors laufend den aktuellen Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe aus, wenn der von dem Drucksensor gemessene Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert (Ausschalt- druck) überschreitet. Auf diese Weise wird der Hydraulikdruck im Betrieb des Spannsystems zwischen dem Mindestwert und dem Soll-Wert gehalten.
Die Figuren 5A bis 5D zeigen für ein solches herkömmliches Hydrauliksystem den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks
(Figur 5A) , des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe (Figur 5B) , des Ein- bzw. Ausschalt zustands des Verbrauchers (Figur 5C) und des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Druckbegrenzungsventils (Figur 5D)-.
Dieses bekannte Hydrauliksystem weist verschiedene Nachteile auf, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
Zum Einen muss ein Teil des von der Hydraulikpumpe geförder- ten Volumenstroms über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden, wenn der Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert überschreitet. Diese Druckbegrenzung ist jedoch mit einer entsprechenden Verlustleistung des Druckbegrenzungsventils verbunden .
Zum Anderen wird die Hydraulikpumpe meist bei einem hohen Hydraulikdruck nahe dem Soll-Wert betrieben, was mit einer entsprechend hohen Belastung der Hydraulikpumpe und mit einem entsprechend hohen Energieaufwand verbunden ist. Weiterhin besteht das Problem, dass die Hydraulikpumpe wieder eingeschaltet werden muss, wenn der Hydraulikdruck unter einen vorgegebenen Minimaldruck abgefallen ist. Problematisch hierbei ist die Tatsache, dass dieses sogenannte Nachschalten der Hydraulikpumpe nicht sofort zu einem Druckanstieg führt, was verschiedene Ursachen hat. Zum einen weist das Motorrelais der Hydraulikpumpe eine bestimmte Totzeit auf, wodurch sich das Anlaufen der Hydraulikpumpe verzögert. Darüber hinaus benötigt die Hydraulikpumpe aufgrund ihrer Massenträgheit eine bestimmte Anlaufzeit. Zum anderen weist aber auch der
Hydraulikdruck in dem Hydrauliksystem eine Zeitkonstante auf und steigt nach dem Anlaufen der Hydraulikpumpe linear an. Diese zeitliche Verzögerung kann beim Nachschalten der Hydraulikpumpe dazu führen, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.
Aus DE 199 59 706 AI und DE 10 2005 060 321 AI sind Druckmittelsysteme für ein Kraftfahrzeugbremssystem bekannt, wobei ebenfalls das Phänomen auftritt, dass eine Hydraulikpumpe beim Ausschalten nicht sofort stehen bleibt, sondern einen Nachlauf aufweist. Der mögliche Druckanstieg während dieses Nachlaufs beim Ausschalten wird jedoch bei diesen Druckschriften dadurch kompensiert, dass die Steuerzeiten für nachgeschaltete Ventile entsprechend modifiziert werden.
Hierbei wird also der Druckanstieg während des Nachlaufs nicht verhindert, sondern durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen kompensiert.
Ferner ist zum Stand der Technik aus anderen technischen Ge- bieten hinzuweisen auf DE 20 2008 011 507 Ul, DE 697 15 709 T2 und DE 197 13 576 AI.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Hydrauliksystem zu schaffen, das diese Nachteile möglichst weitgehend vermeidet. Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass die Fluidpumpe (z.B. Hydraulikpumpe) auch nach dem Abschalten ihres Antriebs noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (z.B. Hydraulikdruck) auch noch nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs der Fluidpumpe etwas ansteigt.
Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Fluidpumpe beim Druckaufbau bereits abgeschaltet wird, bevor der Fluiddruck den vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat. Während des anschließenden Nachlaufs der Fluidpumpe steigt der Fluiddruck dann noch von dem Abschaltdruck mit einem bestimmten Nachlauf-Druckanstieg in Richtung des vorgegebenen Soll-Werts an. Die Erfindung nutzt also die kinetische Energie der Fluidpumpe, des Antriebs der Fluidpumpe und/oder der von der Fluidpumpe geförderten Flüssigkeitssäule aus.
Zum Einen bietet das den Vorteil, dass die Fluidpumpe weniger oft bei hohen Fluiddrücken nahe dem Soll-Wert betrieben wird, wodurch die Fluidpumpe geschont wird und weniger Antriebsenergie verbraucht.
Zum Anderen bietet die Erfindung aber auch den Vorteil, dass weniger Fluid (z.B. Hydrauliköl) über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss, wodurch das Druckbegrenzungsventil geschont wird und weniger Verlustleistung anfällt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Abschaltdruck so bemessen, dass die Druckdifferenz zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert und dem Abschaltdruck kleiner ist als der Nachlauf-Druckanstieg . Dies bedeutet, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe zumindest noch bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigt. Der Nach- lauf-Druckanstieg sollte also vorzugsweise hinreichend groß sein, um die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem Soll-Wert zu überbrücken.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Druckanstieg während des Nachlaufs der Fluidpumpe asymptotisch bis auf einen Endwert verläuft, so dass der Druckanstieg im oberen Druckbereich zu dem Endwert hin immer langsamer erfolgt. Es ist jedoch in der Regel wünschenswert, dass sich der vorgegebene Soll-Wert des Fluiddrucks während des Nachlaufs möglichst schnell einstellt. Vorzugsweise ist der Abschaltdruck deshalb so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll- Wert um mindestens 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 100% oder 200% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass zur Überbrückung der Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert der relativ steil verlaufende anfängliche Druckanstieg während des Nachlaufs ausgenutzt wird, so dass sich der vorgegebene Soll-Wert nach dem Abschalten der Fluidpumpe relativ schnell einstellt.
Andererseits ist es nicht nötig, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs noch wesentlich weiter ansteigt als bis auf den gewünschten Soll-Wert. Der Abschaltdruck ist deshalb vorzugsweise so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert um höchstens 200%, 100%, 50%, 20%, 10%, 5%, 2% oder 1% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass während des Nachlaufs der Fluidpumpe nur wenig überschüssiges Fluid anfällt, das dann über das Druck- begrenzungsventil abgeführt werden muss.
Die vorstehend genannten prozentualen Werts sind möglich, wenn man bestimmte Faktoren bei der Berechnung verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf feste Werte festgelegt. Je nach Stabilität und Charakteristik des Hydrauliksystems gibt es verschiedene Werte. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung jedoch der kleinste mögliche Wert verwendet. Dies richtet sich nach der Güte der Berechnung, der Konstanz der Parameter des Hydrauliksystems und hier insbesondere nach der Steifheit des Systems, der Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung und des Antriebs. Wünschenswert sind Werte unter 5 %.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abschaltung und/oder die Anschaltung der Fluidpumpe bzw. des Antriebs der Fluidpumpe druckgesteuert. Dies bedeutet, dass die Steuereinheit mittels des Drucksensors den Flu- iddruck misst. Die Steuereinheit schaltet die Fluidpumpe dann beim Druckaufbau ab, wenn der gemessene Fluiddruck den vorgegebenen Abschaltdruck überschreitet. Darüber hinaus kann die Steuereinheit die Fluidpumpe wieder einschalten, wenn der gemessenen Fluiddruck den vorgegebenen Einschaltdruck unterschreitet .
Bei der Festlegung des Abschaltdrucks ist zu berücksichtigen, dass der Nachlauf-Druckanstieg nicht nur von der Trägheit der Fluidpumpe und ihres Antriebs abhängt, sondern auch von dem aktuell geförderten und abfließenden Förderstrom. Falls beispielsweise ein großer Förderstrom über den Verbraucher abfließt, so ist der Nachlauf-Druckanstieg nur sehr gering. Bei der Festlegung des Abschaltdrucks wird deshalb vorzugsweise der aktuell abfließende Förderstrom der Fluidpumpe berücksichtigt .
Eine Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht darin, die Pumpendrehzahl der Fluidpumpe zu messen oder aus der Motorsteuerung abzuleiten, wobei der Förderstrom dann zumindest näherungsweise aus der Pumpendrehzahl abgeleitet werden kann. Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht in der Messung mittels eines Volumenstromsensors . Eine weitere Möglichkeit sieht dagegen vor, dass der Förderstrom der Fluidpumpe als bekannt vorausgesetzt wird.
Die Trägheit des Systems aus Fluidpumpe und deren Antrieb spiegelt sich im Betrieb in der zeitlichen Druckänderung beim Druckaufbau wieder, d.h. in der ersten zeitlichen Ableitung des Fluiddrucks. So deutet ein schneller Druckanstieg während des Druckaufbaus auf eine entsprechend hohe Trägheit und einen hohen Nachlauf-Druckanstieg hin. Vorzugsweise wird deshalb die zeitliche Druckänderung beim Druckaufbau gemessen und als Maß für die Trägheit der Fluidpumpe berücksichtigt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Abschaltdruck im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckmittelsystems vorzugsweise dynamisch an den aktuellen Betriebszustand angepasst wird. Dies bedeutet, dass der Abschaltdruck laufend an den aktuellen Betriebszustand (z.B. Drehzahl, Fluiddruck, Druckanstieg, etc.) angepasst wird.
Bei dieser dynamischen Anpassung des Abschaltdruck werden vorzugsweise die folgenden Randbedingungen bzw. Optimierungsziele berücksichtigt:
Während des Nachlaufs soll der Fluiddruck auf jeden Fall bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigen.
Nach dem Abschalten der Fluidpumpe soll sich der vorge- gebene Soll-Wert für den Fluiddruck möglichst schnell einstellen .
Während des Nachlaufs soll möglichst wenig überschüssiges Fluid gefördert werden, das zum Erreichen des Soll-Werts nicht erforderlich ist und über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Abschaltdruck deshalb nach folgender Formel berechnet und während des Betriebs laufend angepasst:
PAUS — PSOLL ~~ (Kl/ + K2) · dPisT/dt · 1/Q
Absehaltdruck .
Soll-Wert für den Fluiddruck.
Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Flu idpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.
Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt .
Aktueller Fluiddruck.
Zeitlicher Druckanstieg.
Förderstrom der Fluidpumpe.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Berechnung des Ab- schaltdrucks nicht auf die vorstehend genannte Formel beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Formeln zur Berechnung des Abschaltdrucks realisierbar.
In einer Variante der Erfindung ist die Steuereinheit baulich in den Drucksensor integriert und erzeugt ein Abschaltsignal für die Motorsteuerung. Es ist aber alternativ auch möglich, dass die Steuereinheit baulich von dem Drucksensor getrennt ist und von dem Drucksensor ein Drucksignal als analoges Signal erhält.
Bei einem Verbraucher kann es notwendig sein, dass der Druck noch einmal nachgeschaltet wird, zum Beispiel, dass sich mit zeitlicher Verzögerung ein Nachsetzen ergibt oder ein kleines Leck auftritt oder dass durch eine starke Abkühlung der Druck sich etwas reduzieren kann. Ein derartiger Nachschaltdruck liegt typischerweise 5-10 % unter dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL, aber über dem Abschaltdruck PAUS- In diesem Fall darf nur eine ganz kleine Fördermenge in das System eingespeist werden und bedarf einer weiteren Ansteuerung, wenn nicht eine überschüssige Ölmenge über das Druckbegrenzungsventil abgelassen werden soll. Für diesen Fall wird die Einschaltdauer des Antriebsmotors der Fluidpumpe ("Druckmotor") so weit reduziert, dass nur die Drehzahl erreicht wird, um einen geringeren Druckaufbau durch Nachlauf zu erzielen. Dies geschieht durch eine Reduzierung der Konstante Kl des Fördervolumens Q und einer proportional dazu reduzierte Anlaufzeit des Pumpen- motorantriebs .
Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Begriffe des Ein- bzw. Ausschaltens der Fluidpumpe stellen vorzugsweise darauf ab, dass der Antrieb der Fluidpumpe vollständig an- bzw. abgeschaltet wird. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Varianten, bei denen der Antrieb der Fluidpumpe lediglich hoch- oder heruntergefahren wird.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Druckmittelsystem um ein Hydrauliksystem. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Druckmittelsystemen realisierbar, wie beispielsweise bei Pneumatiksystemen. Ent- scheidend ist lediglich, dass die Fluidpumpe nach ihrem Abschalten noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, während dessen der Fluiddruck noch ansteigt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Druck- mittelsystem vorzugsweise einen Verbraucher umfasst, der mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. Bei dem Verbraucher handelt es sich vorzugsweise um ein Spannsystem zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern wie beispielsweise Werkstückpaletten. Derartige Spannsysteme sind an sich bekannt und beispielsweise in DE 31 36 177 AI be- schrieben, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Druckmittelsysteme mit anderen Typen von Verbrauchern.
Ein anderer Aspekt der Erfindung befasst sich mit dem Problem, dass die Fluidpumpe beim Anschalten (Nachschalten) einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Vorlaufs der Fluidpumpe noch nicht wesentlich an- steigt, obwohl die Fluidpumpe bereits angeschaltet ist. Die Gründe für diesen Vorlauf bestehen - wie schon eingangs kurz erläutert - zum einen in der Totzeit des Motorrelais der Fluidpumpe und zum anderen in dem verzögerten Druckaufbau in dem DruckmittelSystem .
Die Erfindung sieht deshalb vorzugsweise auch vor, dass die Steuereinheit beim Absinken des Fluiddrucks im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe die Fluidpumpe bereits wieder einschaltet, bevor der Fluiddruck auf einen vorgegebenen Mini- maldruck (z.B. 5% unter Soll-Druck) gefallen ist, der nicht unterschritten werden soll. Der Einschaltdruck (Nachschalt- druck) der Fluidpumpe ist also vorzugsweise größer als der vorgegebene Minimaldruck, der nicht unterschritten werden soll. Dies bietet den Vorteil, dass der möglicherweise auf- tretende weitere Druckabfall während des trägheitsbedingten
Vorlaufs der Fluidpumpe nicht dazu führt, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.
In einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung er- fasst die Steuereinheit im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe mittels eines Drucksensors die zeitliche Änderung des Fluiddrucks. Der Einschaltdruck wird dann von der Steuereinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Fluiddrucks im abgeschalteten Zustand der Fluidpumpe, dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Minimaldruck berechnet, wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgen kann:
PEIN = PMIN - (kl + k2 " PAUS) * dPIST/dt mit :
kl, k2: Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren.
PAUS: Abschaltdruck, der unter Berücksichtigung des Nachlaufs beim Hochfahren des Drucks dazu führt, dass der Drucksollwert PSOLL erreicht wird.
dP/dt: Zeitliche Änderung des Fluiddrucks nach Erreichen des
Maximalwertes. Die Steigung ist hierbei negativ, so dass der Nachschaltdruck PEIN größer ist als der vorgegebene Minimaldruck PMIN-
Der Einschaltdruck (Nachschaltdruck) ist also vorzugsweise so bemessen, dass der Fluiddruck nach dem Anschalten der Fluidpumpe während des Vorlaufs der Fluidpumpe nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck abfällt.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren umfasst, wie sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems zur Hydraulikversorgung einer SpannVorrichtung .
Figur 2 das Betriebsverfahren des Hydrauliksystems aus Fi- gur 1 in Form eines Flussdiagramms. Figur 3A den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in dem Hydrauliksystem gemäß Figur 1. Figur 3B den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe.
Figur 3C den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems.
Figur 3D eine vergrößerte Darstellung des Druckverlaufs während des Nachlaufs der Hydraulikpumpe.
Figur 4 eine Abwandlung des Hydrauliksystems gemäß Figur 1, wobei die Steuereinheit in den Drucksensor integriert ist.
Figur 5A den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in einem herkömmlichen Hydrauliksystem.
Figur 5B den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe in dem herkömmlichen Hydrauli ksystem . Figur 5C den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems in dem herkömmlichen Hydrauli ksystem .
Figur 5D den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzu- Stands des Druckbegrenzungsventils in dem herkömmlichen Hydrauliksystem,
Figur 6 den zeitlichen Verlauf des Fluiddrucks in einem erfindungsgemäßen Druckmittelsystem, wobei der träg- heitsbedingte Vorlauf der Hydraulikpumpe beim Nachschalten berücksichtigt wird, sowie
Figur 7 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Nachschal- tens der Hydraulikpumpe zur Berücksichtigung des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem mit einer Hydraulikpumpe 1, die von einem Elektromotor 2 angetrieben wird und ein mechanisches Spannsystem 3 mit dem zum Betrieb erforderlichen Hydraulikdruck versorgt.
Die Hydraulikpumpe 1 ist eingangsseitig mit einem Hydrauliköltank 4 verbunden, aus dem die Hydraulikpumpe 1 Hydrauliköl entnimmt und über ein Rückschlagventil RV in einen Hochdruckbereich 5 pumpt, an den das Spannsystem 3 angeschlossen ist.
Darüber hinaus weist das Hydrauliksystem ein Druckbegrenzungsventil 6 auf, das den Hochdruckbereich 5 mit dem Hydrau- liköltank 4 verbindet. Das Druckbegrenzungsventil 6 ist im
Normalzustand geschlossen und öffnet, wenn der aktuelle Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 einen vorgegebenen Maximalwert PMAX überschreitet. Ferner weist das Hydrauliksystem einen Drucksensor 7 auf, der den aktuellen Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 misst und an eine Steuereinheit 8 weiterleitet, die eine Motorsteuerung 9 in Abhängigkeit von dem gemessenen Hydraulikdruck PIST ansteuert, wobei die Steuereinheit 8 den Elektromo- tor 2 wahlweise anschaltet oder abschaltet.
Bei der Ansteuerung des Elektromotors 2 berücksichtigt die Steuereinheit 8 auch den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1, da der aktuelle Förderstrom Q den Nachlauf-Druck- anstieg beeinflusst. Hierzu ist die Steuereinheit 8 mit einem Drehzahlsensor 10 verbunden, der die Drehzahl n des Elektromotors 2 und damit auch die Pumpendrehzahl erfasst. Aus der Pumpendrehzahl n berechnet die Streuereinheit 8 dann den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1.
Darüber hinaus ist ein Druckreduzierventil 11 vorgesehen, dass zwischen der Hydraulikpumpe 1 und dem Rückschlagventil RV abzweigt und im geöffneten Zustand Hydrauliköl in den Hyd- rauliktölank 4 zurückführt, wobei das Druckreduzierventil 11 von der Steuereinheit 8 angesteuert wird. Die Steuereinheit 8 öffnet das Druckreduzierventil 11, wenn der Soll-Wert PSOLL abgesenkt wird. Dies ist sinnvoll, damit der Hydraulikdruck PIST möglichst schnell auf den neuen, geringeren Soll-Wert PSOLL absinkt.
Die Steuereinheit 8 berechnet dann während des Betriebs laufend (vgl. Schritt Sl in Figur 2) einen Abschaltdruck PAUS nach folgender Formel : PAUs = PSOLL - (K1/PSOLL + K2 ) · dPIST/dt · 1/Q mit :
PAUS: Abschaltdruck.
PSOLL: Soll-Wert für den Fluiddruck.
Kl: Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Flu- idpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.
K2 : Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt .
PiST: Aktueller Fluiddruck.
dPIST/dt: Zeitlicher Druckanstieg.
Q: Förderstrom der Fluidpumpe.
Die gerätespezifischen Konstanten Kl, K2 können zuvor in einem Kalibrierungsverfahren ermittelt werden. Im ausgeschalteten Zustand der Hydraulikpumpe misst die Steuereinheit 8 mittels des Drucksensors 7 laufend den Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 (vgl. Schritt S2 in Figur 2) .
Die Steuereinheit 8 prüft dann laufend, ob der gemessene Hydraulikdruck PIST einen vorgegebenen Einschaltdruck PEiN unterschreitet (vgl. S3 in Figur 2). Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Einschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 einschaltet, um den Hydraulikdruck Ρί3τ zu erhöhen (vgl. Schritt S4 in Figur 2). Bei dem anschließenden Druckaufbau prüft die Steuereinheit 8 dann laufend, ob der aktuelle Hydraulikdruck PIST den Abschaltdruck PAUS überschreitet (vgl. Schritt S5) .
Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Abschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 abschaltet (vgl. Schritt S6) .
Bei dem anschließenden trägheitsbedingten Nachlauf der Hydraulikpumpe 1 steigt der Hydraulikdruck PIST trotz des ausge- schalteten Elektromotors 2 noch trägheitsbedingt an, wobei der Nachlauf-Druckanstieg APNACHLAUF (vgl. Figur 3D) ausreicht, um die Druckdifferenz ΔΡ zwischen dem Abschaltdruck PAUS und dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL Z überbrücken. Während des Nachlaufs steigt der Hydraulikdruck PIST also von dem Ab- schaltdruck PAUS bis auf den Soll-Wert PSOLL an.
Während des Nachlaufs prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck PIST einen vorgegebenen Maximalwert PMAX übersteigt (vgl. Schritt S7 in Figur 2). Falls dies der Fall ist, so öffnet das Druckbegrenzungsventil 6 automatisch und leitet das überschüssige Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zurück, um einen weiteren Druckanstieg über den Maximalwert PMAX hinaus zu verhindern (vgl. Schritt S8 in Figur 2).
Darüber hinaus prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck PIST unter den vorgegebenen Soll-Wert PSOLL gefallen ist (vgl. Schritt S9 in Figur 2).
Falls dies der Fall sein sollte, so schließt das Druckbegrenzungsventil 6 selbsttätig, um ein weiteres Abfließen von Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zu verhindern, da der Hydraulikdruck PIST dadurch noch weiter unter den vorgegebenen Soll-Wert PSOLL abfallen würde (vgl. Schritt S10 in Figur 2) .
Aus Figur 3D ist weiterhin ersichtlich, dass der ohne eine Druckbegrenzung maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg APNACH- LAUF größer ist als die zu überbrückende Druckdifferenz ΔΡ zwischen dem Abschaltdruck PAUs und dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL- Dies ist vorteilhaft, weil der Druckanstieg während des Nachlaufs dadurch relativ schnell erfolgt. Allerdings wird dieser Vorteil mit dem Nachteil erkauft, dass ein Teil des während des Nachlaufs geförderten Hydrauliköls über das
Druckbegrenzungsventil 6 in den Hydrauliköltank 4 zurückgeführt werden muss. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitergehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Steuereinheit 8 in einem gemeinsamen Gehäuse 11 mit dem Drucksensor 7 angeordnet ist.
Die Figuren 6 und 7 verdeutlichen einen Erfindungsaspekt, der auf das Problem des trägheitsbedingten zeitlichen Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 abstellt. So steigt der Hydraulikdruck PIST nach dem Einschalten (Nachschalten) der Hydraulikpumpe 1 zum Zeitpunkt tEI nicht sofort wieder an, da der Druckanstieg durch die Totzeit des Motorrelais der Hydraulikpumpe 1 verzögert wird und auch der Druckanstieg selbst eine gewisse Vorlaufzeit benötigt. Die Erfindung sieht deshalb in diesem Aspekt vor, dass die Hydraulikpumpe 1 beim Nachschalten bereits wieder bei einem Einschaltdruck PEIN eingeschaltet wird, der über dem vorgegebenen Minimaldruck PMIN liegt, damit der vorgegebene Minimaldruck PMiN trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unterschritten wird. In einem ersten Schritt Sl werden hierzu gerätespezifische Konstanten Kl, K2 ermittelt, die den Druckanstieg nach dem Anschalten der Hydraulikpumpe 1 während des Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 kennzeichnen. In einem weiteren Schritt S2 wird der Minimaldruck PMiN vorgegeben, der nicht unterschritten werden soll.
Darüber hinaus wird in einem Schritt S3 der Abschaltdruck PAUS berechnet, der beim Hochfahren des Fluiddrucks PIST zu einem Abschalten der Hydraulikpumpe 1 führt. Die Berechnung des Abschaltdrucks PAUS wurde bereits vorstehend ausführlich erläutert, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. In einer Schleife wird zunächst in einem Schritt S4 der Flu- iddruck PIST gemessen.
Darüber hinaus wird in der Schleife dann in einem Schritt S5 die zeitliche Änderung dPist dt des Fluiddrucks PIST berechnet.
In einem weiteren Schritt S6 wird dann nach folgender Formel der Anschaltdruck PEIN berechnet: PEIN = PMIN - (kl + k2 ' PAUS) ■ dPiST/dt .
In einem Schritt S7 wird dann in der Schleife geprüft, ob der gemessene Fluiddruck PIST den berechneten Anschaltdruck PEIN unterschreitet. Falls dies der Fall ist, so wird die Hydrau- likpumpe 1 in einem Schritt S8 eingeschaltet. Andernfalls werden die vorstehend genannten Schritte S4-S7 in einer
Schleife wiederholt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Fluiddruck PIST trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck PMiN abfällt, der nicht unterschritten werden soll.
Das Nachschalten in der vorgeschlagenen Weise ist vorteil- haft, weil wieder die kinetische Energie der Pumpen-Motor- Einheit ausgenutzt wird und sich kein wesentlich höherer Druck als der Solldruck einstellt. Somit kann mit einer derartigen Einrichtung ein Druckwert eingestellt werden, ohne dass zuviel Ölvolumen durch die Pumpe gefördert wurde, wel- ches über ein Begrenzungsventil wieder abgeführt werden muss.
In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Abschalten der Pumpe bereits vor Erreichen des Soll-Werts PSOLL ergibt sich ein Druckeinstellsystem, bei dem das Druckbegrenzungsventil 6 nur noch der Sicherheit dient. Die Druckeinstellung wird durch die Veränderung des Soll-Wertes PSOLL vorgenommen.
Durch die Verwendung des Abschaltdrucks PAus aus dem erstmali- gen Druckanstieg wird etwas mehr Energie in das Hydrauliksystem gegeben, da der Druck nur im System aus der Hydraulikpumpe 1 und dem Druckrohr aufgebaut werden muss und erst nach dem Öffnen des Rückschlagventils RV das gesamte Hydrauliksystem angeschlossen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die
Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen .
Bezugszeichenliste
Hydraulikpumpe
Elektromotor
Spannsystem
Hydrauliköltank
Hochdruckbereich
Druckbegrenzungsventil
7 Drucksensor
8 Steuereinheit
9 MotorSteuerung
10 Drehzahlsensor
11 Druckreduzierventil
kl k2 Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren
Kl Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Fluidpumpe und Antriebsmotor wiedergibt
K2 Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt n Drehzahl des Elektromotors
PAUS Abschaltdruck
PEIN Einschaltdruck
PIST Hydraulikdruck
PMIN Minimal
PMAX Maximaldruck
PSOLL Soll-Wert
ΔΡ Druckdifferenz zwischen Abschaltdruck und Soll-Wert
APNACHLAUF Nachlauf-Druckanstieg
RV Rückschlagventil
Q Förderstrom der Hydraulikpumpe
dPIST/dt zeitliche Änderung des Hydraulikdrucks

Claims

ANSPRÜCHE
1. Druckmittelsystem, insbesondere Hydrauliksystem, mit a) einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom (Q) und einem bestimmten Fluiddruck (PIST) ,
b) einer Steuereinheit (8) , welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll- Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen,
c) wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist,
d) während die Fluidpumpe (1) beim Anschalten einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (PIST) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) noch nicht wesentlich ansteigt, obwohl die Fluidpumpe (1) bereits angeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks
(PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat, und/oder f) dass die Steuereinheit (8) beim Absinken des Fluiddrucks (PIST) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) die Fluidpumpe (1) wieder einschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) auf einen vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) gefallen ist
2. Druckmittel System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Fluiddruck (PIST) während des Nachlaufs nach dem Abschalten der Fluidpumpe (1) ohne eine Druckbegrenzung noch um einen bestimmten maximal möglichen Nachlauf-Druckanstieg (APNACHLAUF) ansteigt, und
b) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) abschaltet, wenn der Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Abschaltdruck (PAUS) übersteigt.
3. Druckmittelsystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Abschaltdruck (PAUS) kleiner ist als der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACHLAUF) so dass der Flu¬ iddruck (PIST) während des Nachlaufs noch zumindest bis auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) ansteigt,
und/oder
b) dass der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACH- LAUF) die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Abschaltdruck (PAUS) um mindestens 10%, 20%, 50%, 100% o- der 200% übersteigt, und/oder
c) dass der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACH- LAUF) die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Ab¬ schaltdruck (PAUS) um höchstens 200%, 100%, 50%, 20% o- der 10% übersteigt.
4. Druckmittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein Drucksensor (7) vorgesehen ist, der den Fluiddruck (PIST) misst und den gemessenen Fluiddruck (PIST) an die Steuereinheit (8) weiterleitet, und
b) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluiddruck (PIST) abschaltet und/oder
c) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluiddruck (PIST) anschaltet, und/oder
d) dass Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) abschaltet, wenn der gemessene Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Abschaltdruck (PAus) übersteigt, und/oder
e) dass Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) einschaltet, wenn der gemessene Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Einschaltdruck (PEIN) unterschreitet.
5. Druckmittelsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) den Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1) ermittelt,
b) dass die Steuereinheit (8) den Abschaltdruck (PAUS) in Abhängigkeit von dem Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1) und dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) ermittelt.
6. Druckmittelsystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Fluidpumpe (1) durch einen Antriebsmotor (2), insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor (2), mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben wird, und
b) dass die Steuereinheit (8) den Förderstrom der Fluidpumpe (1) aus der Drehzahl der Antriebspumpe berechnet.
7. Druckmittelsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) den Abschaltdruck während des Betriebs dynamisch anpasst, insbeson dere in Abhängigkeit von mindestens einer folgenden Größen: dem Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1),
dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) für den Fluiddruck ( PIST)
dem zeitlichen Druckanstieg (dP/dt) des Fluiddrucks ( PIST) ·
8. Druckmittelsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Fluidpumpe (1) von einem Antriebsmotor (2) an getrieben wird, insbesondere von einem elektrischen An triebsmotor (2) ,
b) dass der Antriebsmotor (2) von einer Motorsteuerung an gesteuert wird,
c) dass die Steuereinheit (8) zum Abschalten der Fluidpum pe (1) ein Abschaltsignal an die Motorsteuerung überträgt .
9. Druckmittelsystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) baulich in den Drucksensor
(7) integriert ist, oder
b) dass die Steuereinheit (8) baulich von dem Drucksensor
(7) getrennt ist.
10. Druckmittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet,
a) dass das Antriebsfluid eine Hydraulikflüssigkeit ist, insbesondere ein Hydrauliköl, und dass die Fluidpumpe (1) eine Hydraulikpumpe ist, und/oder b) dass die Fluidpumpe (1) einen Verbraucher (3) mit dem Antriebsfluid versorgt, und/oder
c) dass der Verbraucher (3) ein mechanisches Spannsystem
(3) ist, das ein Werkstück oder einen Werkstückhalter lösbar festspannt.
11. Druckmittelsystem nach Anspruch 4 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) mittels des Drucksensors (7) die zeitliche Änderung (dp/dt) des Fluiddrucks (PIST) ermittelt, und
b) dass die Steuereinheit (8) den Einschaltdruck (PEIN) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen bestimmt :
der zeitlichen Änderung (dPisT/dt) des Fluiddrucks (PIST) m abgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1), dem Abschaltdruck (PAUS) ,
dem vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) ·
12. Druckmittelsystem nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Einschaltdruck (PEIN) größer ist als der vorgegebene Minimaldruck (P IN)/ und/oder
b) dass der Einschaltdruck (PEIN) vorzugsweise so bemessen ist, dass der Fluiddruck (PIST) nach dem Anschalten der Fluidpumpe (1) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) abfällt.
13. Betriebsverfahren für ein Druckmittelsystem mit
a) einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom (Q) und einem bestimmten Fluiddruck (PIST) , b) einer Steuereinheit (8), welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll- Wert ( PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen,
c) wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Flu- iddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist,
d) während die Fluidpumpe (1) beim Anschalten einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (PIST) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) noch nicht wesentlich ansteigt, obwohl die Fluidpumpe (1) bereits angeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks
(PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat, und/oder f) dass die Steuereinheit (8) beim Absinken des Fluiddrucks (PIST) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) die Fluidpumpe (1) wieder einschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) auf einen vorgegebenen Minimaldruck (P IN) gefallen ist.
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