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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidventilanordnung,
die eine Fluidleitung umfasst, die eine erste Leitung und eine zweite
Leitung aufweist, wobei beide Leitungen mit einem Fluidverbraucher
verbindbar sind, eine Zufuhrverbindungsanordnung mit einer Druckverbindung
und einer Tankverbindung, eine erste Ventilanordnung, die die Druckverbindung
schließt oder sie in gesteuerter Weise mit der ersten Leitung
oder der zweiten Leitung verbindet, eine zweite Ventilanordnung,
die die Tankverbindung schließt oder sie in gesteuerter
Weise mit der ersten Leitung oder der zweiten Leitung verbindet,
und eine Steuervorrichtung, die die erste Ventilanordnung und die
zweite Ventilanordnung steuert.
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HINTERGRUND
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Eine,
eine Steuervorrichtung, wie etwa ein manuell betätigter
Hebel oder ein Joystick, umfassende Fluidventilanordnung ist aus
US 5 568 759 bekannt. Die
Steuervorrichtung überträgt ein spezifiziertes
Signal an einen Mikroprozessor, der Pilotventile für beide
Ventilanordnungen aktiviert, wobei die Spule/der Kolben der Pilotventile über
Federn mit der Spule der betreffenden Ventilanordnung verbunden ist,
so dass eine federkontrollierte Interaktion auftritt. In vielen
Fällen ist diese Ausführungsform dahingehend vorteilhaft,
dass der Fluss durch beide Ventilanordnungen nur in einer Richtung
stattfindet, so dass die auf die Ventilelemente wirkenden Kräfte
im Wesentlichen unabhängig von der Arbeitsrichtung des Verbrauchers
sind. Jedoch ist es bei dieser Ventilanordnung schwierig, eine genaue
Steuerung des Verbrauchers zu erzielen, da Reibung in den mechanischen
Teilen, Hysterese der Solenoidventile und externe Kräfte,
beispielsweise vom Fluss herrührende Kräfte, eine
exakte Positionierung der Spule verhindern.
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Das
obige Problem kann durch eine Ventilanordnung gelöst werden,
wie in
GB 2406363 beschrieben.
Gemäß diesem Dokument ist zumindest eine Ventilanordnung
mit einem Öffnungsgradsensor versehen, der mit der Steuervorrichtung
verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung die Ventilanordnung abhängig
vom Signal aus dem Öffnungsgradsensor und einem spezifizierten
Signal steuert. Mittels des Öffnungsgradsensors kann die
Steuervorrichtung die Menge an Fluid bestimmen, die zum Verbraucher
geliefert oder von ihm abgegeben wird, abhängig davon,
ob der Öffnungsgradsensor in der ersten oder der zweiten
Ventilanordnung lokalisiert ist. Mittels dieses Öffnungsgrads
kann die Bewegung bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit und daher auch
die Position des Verbrauchers relativ genau gesteuert werden.
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Die
Ventilanordnung hat die Form eines Kolbenventils und der Öffnungsgradsensor
ist ein Positionssensor, der eine Position einer Spule bestimmt. Somit
wird der Öffnungsgrad nicht mehr direkt bestimmt. Ein gewisser Öffnungsgrad
wird jeder Position der Spule zugeordnet, wobei die Position der
Spule/des Kolbens eine indirekte Bestimmung des Öffnungsgrads
gestattet. Als Positionssensor kann ein Hall-Sensor, ein LVDT (linear
variabler Differential-Transducer) oder irgendein anderer geeigneter Sensor
verwendet werden.
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Die
Steuervorrichtung erwägt eine nicht-lineare Korrelation
zwischen der Position des Kolbens und dem Öffnungsgrad
der Ventilanordnung. Eine solche Korrelation kann beispielsweise
als eine Funktion oder als eine Tabelle gespeichert werden, so dass
es für die Steuervorrichtung einfach ist, die Position
des Kolbens in einen Öffnungsgrad zu konvertieren. Die
Steuervorrichtung ist mit zumindest einer Druckdifferenzdetektionsvorrichtung
verbunden, die eine Druckdifferenz an der Ventilanordnung bestimmt,
die mit dem Öffnungsgradsensor versehen ist. Wenn die verbleibenden
Charakteristika der Ventilanordnung bekannt sind, gestatten Öffnungsgrad und
Druckdifferenz die Bestimmung der Flussmenge. Jedoch ist die Flussmenge
des Fluids für die Geschwindigkeit, mit der der Fluidverbraucher,
der mit der Leitungsanordnung verbunden ist, aktiviert werden kann,
entscheidend. Abhängig davon, welche Ventilanordnung mit
dem Öffnungsgradsensor und der Druckdifferenzdetektionsvorrichtung
versehen ist, können Einlass (Einlassdosierung) oder Auslass (Auslassdosierung)
exakt gesteuert werden.
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Gemäß diesem
Dokument ist jede Leitung mit einem Drucksensor versehen, wobei
jeder Drucksensor mit der Steuervorrichtung verbunden ist. Dies führt
zu weiteren Steuerungsmöglichkeiten. Der Fluidverbraucher
kann mittels des Drucks an den Leitungen gesteuert werden. Die Drucksensoren
bilden einen Teil der Druckdifferenzdetektionsvorrichtung. Auf diese
Weise haben die Drucksensoren 2 Zwecke, nämlich die Detektion
einer Druckdifferenz und die Detektion eines Absolutdrucks. Die
Steuervorrichtung detektiert dann die Druckdifferenz mittels eines dritten
Drucksensors.
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Ein
Problem mit der letzteren Lösung ist, dass die Funktion
der Anordnung von Drucksensoren abhängig ist. Sollte ein
Drucksensor über die Zeit degradieren, werden Genauigkeit
der Steuerfunktionen und Zuverlässigkeit der Anordnung
entsprechend vermindert. Ein weiteres Problem ist, dass die Anordnung
nicht für Energie-effizienten Betrieb optimiert ist, wie
etwa Energiewiedergewinnung, um Druck und Flussverluste zu minimieren.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
obigen Probleme sind durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den
beigefügten Ansprüchen gelöst worden.
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Gemäß einer
Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Steuern einer Fluidventilanordnung, die eine Fluidleitungsanordnung
mit einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung, wobei die ersten
und zweiten Leitungen mit einem Fluidverbraucher verbindbar sind;
eine Zufuhrverbindungsanordnung mit einer Druckverbindung und eine
Tankverbindung umfasst.
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Im
nachfolgenden Text soll der Ausdruck ”Fluid” sowohl ”hydraulisch” als
auch ”pneumatisch” beinhalten. Beispielsweise
wird der Ausdruck ”Fluidverbraucher” als ein Sammelbegriff
für alle Fluidvorrichtungen verwendet, wie etwa Kolbenzylinderanordnungen
und Fluidmotoren, die entweder hydraulisch oder pneumatisch unter
Verwendung dieses Verfahrens betrieben werden können.
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Eine
erste Ventilanordnung ist betreibbar, die Druckverbindung zu schließen
und/oder die Druckverbindung in gesteuerter Weise mit der ersten
Leitung zu verbinden, und eine zweite Ventilanordnung ist betreibbar,
um ein Schließen der Druckverbindung und/oder ein Verbinden
der Druckverbindung in einer gesteuerten Weise mit der ersten Leitung
zu erreichen. Daher können beispielsweise erste und zweite Leitungen
mit einer ersten und zweiten Fluidverbindung des Fluidverbrauchers
verbunden sein, um einen Kolben in einer gewünschten Richtung
unter Verwendung von Druck aus der Druckverbindung zu bewegen. Die
Druckverbindung kann eine feste oder variable Verdrängungsfluidpumpe,
ein Akkumulator oder eine ähnliche geeignete Druckquelle
sein.
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Zusätzlich
ist eine dritte Ventilanordnung betreibbar, um ein Schließen
der Tankverbindung und/oder ein Verbinden der Tankverbindung in
gesteuerter Weise mit der ersten Leitung zu erzielen, und ist eine
vierte Ventilanordnung betreibbar, um ein Schließen der
Tankverbindung und/oder ein Verbinden der Tankverbindung in einer
gesteuerten Weise mit der zweiten Leitung zu erzielen. Es wird eine Steuervorrichtung
zum Steuern der Ventilanordnungen vorgesehen.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung kann die Schritte
beinhalten:
- – Detektieren von Ausgangssignalen
aus Öffnungsgradsensoren, die an zumindest der ersten und
zweiten Ventilanordnung verbunden sind
- – Übertragen der Ausgangssignale an die Steuervorrichtung,
welche Steuervorrichtung dafür ausgelegt ist, die Ventilanordnungen
in Reaktion auf aus jedem Öffnungsgradsensor empfangene
Signale zu steuern
- – Bestimmen der Größenordnung und
Richtung eines Druckabfalls an den ersten und/oder zweiten Ventilanordnungen
unter Verwendung der Ausgangssignale,
- – Bestimmen, ob der Druck in der Druckverbindung für
das Betätigen des Fluidverbrauchers ausreichend ist und
falls er unzureichend ist, Erhöhen des Drucks in der Druckverbindung,
und
- – Bestimmen, ob der Druck in der Leitung, der vom Fluidverbraucher
abzuführen ist, größer als der Druck
in der Druckverbindung ist und falls der Druck des Fluidverbrauchers
größer ist, Rückführen von Fluid
an die Druckverbindung während des Betätigens
des Fluidverbrauchers.
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Größe
und Richtung des Druckabfalls können unter Verwendung eines Öffnungsgradsensors in
einem an den Ventilanordnungen verbundenen Konstantdruckventil bestimmt
werden, insbesondere durch Detektieren der Position einer Spule
oder von Spulen in dem Konstantdruckventil. Die Steuervorrichtung
kann zum Evaluieren einer nicht-linearen Korrelation zwischen der
Position der Spule und dem Öffnungsgrad der Ventilanordnung
verwendet werden.
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Weiterhin
involviert das Verfahren das Bestimmen eines Betriebsmodus für
jede Ventilanordnung, basierend auf den Ausgangssignalen aus den Öffnungsgradsensoren
und einem Eingangssignal aus einer Steuereinheit für den
Fluidverbraucher. Die besagten Betriebsmodi werden weiter unten
detailliert diskutiert werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Fluidventilanordnung, die eine
Fluidleitungsanordnung mit einer ersten Leitung und einer zweiten
Leitung umfasst, wobei die ersten und zweiten Leitungen mit einem
Fluidverbraucher verbindbar sind. Die Fluidventilanordnung umfasst
weiter eine Zufuhrverbindungsanordnung mit einer Druckverbindung
und einer Tankverbindung. Wie oben ausgesagt, kann die Druckquelle
ein Fluidpumpe fixer oder variabler Verdrängung, ein Akkumulator
oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Weiterhin ist eine
erste Ventilanordnung betreibbar, um ein Schließen der
Druckverbindung und/oder Verbinden der Druckverbindung in gesteuerter
Weise mit der ersten Leitung zu erzielen, und ist eine zweite Ventilanordnung
betreibbar, um das Schließen der Druckverbindung und/oder
das Verbinden der Druckverbindung in gesteuerter Weise mit der zweiten
Leitung zu erzielen.
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Eine
dritte Ventilanordnung ist betreibbar, um das Schließen
der Tankverbindung und/oder das Verbinden der Tankverbindung in
einer gesteuerten Weise mit der ersten Leitung zu erzielen, und
eine vierte Ventilanordnung ist betreibbar, um das Schließen
der Tankverbindung und/oder Verbinden der Tankverbindung in gesteuerter
Weise mit der zweiten Leitung zu erzielen. Die dritten und vierten
Ventilanordnungen sind dafür ausgelegt, ihre entsprechenden
Ausgangsanschlüsse auf dem Fluidverbraucher mit einem Ablass
oder Tank zu verbinden, wenn der Fluidverbraucher durch die Druckleitung
betrieben wird, entweder über die erste oder die zweite
Leitung.
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Die
obigen Ventilanordnungen sind mit einer Steuervorrichtung verbunden,
die Ausgangssignale zur Steuerung jeder individuellen Ventilanordnung übertragen
kann. Zumindest die erste und die zweite Ventilanordnung ist mit
zumindest einem Öffnungsgradsensor versehen, der mit der
Steuervorrichtung verbunden ist, und die Steuervorrichtung ist betreibbar,
die Ventilanordnungen in Reaktion auf aus jedem Öffnungsgradsensor
empfangenen Signalen zu steuern, welche Signale proportional zur
Größenordnung und Richtung eines Druckabfalls
an den ersten und zweiten Ventilanordnungen sind.
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Jeder Öffnungsgradsensor
kann Teil eines Konstantdruckventils sein, das durch Fluidleitungen an
den ersten und zweiten Ventilanordnungen verbunden ist. Das Konstantdruckventil
kann ein Kolbenventil umfassen und der Öffnungsgradsensor
ist ein Positionssensor, der eine Position einer Spule des Kolbenventils
bestimmt. Auf diese Weise kann der Druck in den Leitungen auf jeder
Seite jeder Ventilanordnung an jedem Ende eines Kolbenventils wirken,
das zu einer neutralen, zentralen Position federbelastet ist. Die
Steuervorrichtung kann dann zum Evaluieren einer nicht-linearen
Korrelation zwischen der Position der Spule und dem Öffnungsgrad
der Ventilanordnung verwendet werden.
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Auf
diese Weise gestattet es das Ausgabesignal aus jedem Öffnungsgradsensor
der Steuervorrichtung, Größenordnung und Richtung
eines Druckabfalls an zumindest den ersten und zweiten Ventilanordnungen
zu bestimmen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung feststellen,
dass der Druck in der ersten oder zweiten Leitung größer
als der Druck in der Zufuhrverbindung ist. Abhängig von
der gewünschten Betriebsrichtung des Fluidverbrauchers kann
die erste oder die zweite Ventilanordnung gesteuert werden, einen
regenerativen Modus während des Betriebs des Fluidverbrauchers
auszuwählen. Dies gestattet es, dass ein relativ höherer
Druck aus dem Fluidverbraucher durch Öffnen eines geeigneten
Ventils in der ersten oder der zweiten Ventilanordnung und Rückführen
von druckbeaufschlagtem Fluid an die Druckverbindung regeneriert
wird.
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Gemäß einem
Beispiel ist die Fluidventilanordnung wie oben beschrieben mit Öffnungsgradsensoren
der dritten und vierten Ventilanordnungen versehen, welche Sensoren
mit der Steuervorrichtung verbunden sind. Jeder Öffnungsgradsensor
kann Teil eines Konstantdruckventils sein, das zwischen den dritten
und vierten Ventilanordnungen verbunden ist.
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Um
die oben umrissenen Vorgänge durchzuführen, umfasst
jede der ersten bis vierten Ventilanordnungen ein erstes steuerbares
Ventil, das betreibbar ist, um es Fluid zu gestatten, zum Fluidverbraucher
zu fließen, und ein zweites steuerbares Ventil, das betreibbar
ist, um es Fluid zu gestatten, aus dem Fluidverbraucher zu fließen.
Gemäß einem Beispiel können die steuerbaren
Ventile solenoidbetriebene Zweiwegeventile sein, die mit der Steuervorrichtung verbunden
sind.
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Gemäß einem
weiteren Beispiel umfassen zumindest die erste und zweite Ventilanordnung
einen Valvistor®, der den Fluidverbraucher
mit der Zufuhrverbindung verbindet.
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Im
nachfolgenden Text wird der Ausdruck ”Valvistor
®” für ein druckgesteuertes
Ventil verwendet, welches Ventil eine eingebettete interne hydraulische
Rückkopplung aufweist, die ein effizientes, Flusskraft-kompensiertes,
Proportionalflussventil bereitstellt. Das Ventil verwendet eine
kleine Pilotschaltung zum Betreiben des größeren
Hauptflusses, ähnlich dem Verhalten eines elektronischen Transistors, daher
der Name. Eine Basisversion dieses Typs von Ventil ist durch Bacho
Hydrauto AB entwickelt worden. Andere Vorteile dieser Art von Ventil
beinhalten eine schnelle Reaktion, Wiederholbarkeit und niedrige
Hysterese. Ein Beispiel eines Valvistor
® ®-Typs druckgesteuerten Ventils
wie durch die aktuelle Erfindung verwendet, ist in der
EP-Patentanmeldung 06120006 beschrieben.
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Das
in
EP 0620006 beschriebene
druckgesteuerte Ventil- oder Valvistor
® umfasst
einen mit einer Fluiddruckquelle verbundenen ersten Ventilanschluss
und einen mit einer ersten Kammer des Verbrauchers verbundenen zweiten
Ventilanschluss. Weiter umfasst das Ventil einen Ventilkonus, der
gleitend in einem Hohlraum eines Ventilkörpers zwischen
einer ersten Position, in der eine Verbindung zwischen den ersten
und zweiten Ventilanschlüssen durch eine erste Seite des
Ventilkonus geschlossen ist, und einer zweiten Position, in der
die Verbindung zwischen den ersten und zweiten Ventilanschlüssen offen
ist, beweglich ist. Der Konus wird durch Fluiddruck, der auf eine
entgegengesetzte zweite Seite des Ventilkonus wirkt, in seine geschlossene
Position gedrängt, welche zweite Seite einen Raum innerhalb des
Ventilkörpers bildet. Zusätzlich kann der Ventilkörper
Mittel zum Leiten von Fluid unter Druck durch den Ventilkonus von
den ersten und zweiten Ventilanschlüssen zu dem Raum durch
Durchgänge umfassen, die alle ein Rückschlagventil
enthalten. Steuerbare Ventilmittel sind zum Verbinden des Raums
mit dem ersten bzw. zweiten Ventilanschluss vorgesehen.
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Das
steuerbare Ventilmittel umfasst ein erstes Pilotventil in einer
den Raum mit einem ersten Ventilanschluss verbindenden Leitung.
Das erste Pilotventil ist dafür ausgelegt, betätigt
zu werden, um einen Fluidfluss von dem zweiten Ventilanschluss zum
ersten Ventilanschluss zu gestatten, falls der Druck in dem zweiten
Ventilanschluss denjenigen des ersten Ventilanschlusses übersteigt.
Das steuerbare Ventil umfasst weiter ein zweites Pilotventil in
einer den Raum mit dem zweiten Ventilanschluss verbindenden Leitung.
Das zweite Pilotventil kann betätigt werden, um Fluidfluss
aus dem ersten Ventilanschluss zum zweiten Ventilanschluss zu gestatten, falls
der Druck in dem ersten Ventilanschluss den des zweiten Ventilanschlusses übersteigt.
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Die
Funktion des druckgesteuerten Ventils oder Valvistor® gemäß der
Erfindung wird unten detaillierter beschrieben (siehe 3).
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Der
Valvistor® weist eine erste und
eine zweite Pilotschaltung auf, die beide ein Pilotventil und einen
am Pilotventil verbundenen Öffnungsgradsensor umfassen.
Der Öffnungsgradsensor ist mit der Steuervorrichtung verbunden
und die Steuervorrichtung ist betreibbar, die Pilotventile in Reaktion
auf aus jedem Öffnungsgradsensor empfangenen Signalen zu steuern.
Wie oben ausgesagt, sind die Signale proportional zur Größe
und Richtung eines Druckabfalls zwischen zumindest den ersten und
zweiten Pilotventilen. Jeder Öffnungsgradsensor kann Teil
eines Konstantdruckventils sein, das zwischen zumindest den ersten
und zweiten Ventilanordnungen verbunden ist.
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Zusätzlich
kann jede der dritten und vierten Ventilanordnungen auch mit einem
Valvistor® versehen sein, der einen
Fluidverbraucher mit der Tankverbindung verbindet, welcher Valvistor® eine erste und eine zweite Pilotschaltung
aufweist, die beide ein Pilotventil und einen Öffnungsgradsensor,
der mit der Steuervorrichtung verbunden ist, umfassen.
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Die
obigen Ausführungsformen können ein Konstantdruckventil
verwenden, das in eine oder beide Richtungen arbeitet, und die Fähigkeit
zur Steuerung des Druckabfalls an einem Ventil und/oder Flussrestriktor
unabhängig von der Richtung Fluidfluss Fluid aufweist.
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Unter
Verwendung eines Sensors zum Messen der Position einer Spule im
Konstantdruckventil ist es möglich, Informationen über
den Druckabfall am Ventil oder Flussrestriktor zu erhalten. Aus
dieser Information ist es möglich, unterschiedliche Betriebsmodi
zu identifizieren. Auf diese Weise ist es möglich, das
energieeffizienteste Verfahren zum Betreiben des Systems festzustellen,
um Druck- und Flussverluste zu minimieren. Ein Hall-Sensor, ein
LVDT (linearer variabler Differential-Transducer) oder irgendein anderer
geeigneter Sensor können als Positionssensor verwendet
werden.
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In
einem Zweiwegeventil vom Valvistor®-Typ unter
Verwendung von Pilotkonstantdruckventilen konventioneller Art wird
die Position der Spule in jedem Konstantdruckventil gemessen. Wie
oben beschrieben, kann diese Information verwendet werden, um mögliche
Betriebsmodi und Druckabfälle an relevanten Ventilen zu
bestimmen.
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Unter
Verwendung der die sich auf die Position der Konstantdruckventile
beziehenden Daten enthaltenden Informationen ist es möglich,
nicht nur den Betriebsmodus zu bestimmen, sondern auch den zum Steuern
der Last am System erforderlichen Druck. Wie oben beschrieben, verhindert
dies, dass der Fluidverbraucher mit der Zufuhrverbindung verbunden
ist, wenn der Zuführdruck für das Antreiben des
Fluidverbrauchers unzureichend ist.
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Das
Konstantdruckventil kann ein Kolbenventil umfassen und der Öffnungsgradsensor
ist ein Positionssensor, der eine Position einer Spule in dem Kolbenventil
bestimmt. Auf diese Weise kann der Druck in den Leitungen auf jeder
Seite jeder Ventilanordnung auf jedes Ende eines Kolbenventils wirken, das
durch ein Federmittel zu einer neutralen, zentralen Position vorbelastet
ist. Wenn der Druckabfall am druckkompensierten Ventil größer
als die entsprechende Vorbelastung der Spulenfeder oder einem ähnlichen
Federmittel wird, beginnt das Konstantdruckventil, den Fluss zu
drosseln, um einen konstanten Druckabfall am druckkompensierten
Ventil aufrecht zu erhalten. Dieser konstante Druckabfall ist etwa
gleich der Vorbelastung der Feder. Die Ventilanordnung gestattet
eine Flusskompensation in beiden Richtungen.
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Durch
Messen der Position für den Kompensator jedes Richtungsventils
im System empfängt die Steuerung Informationen, die es
ihr gestatten, zu bestimmen, welche Ventile zum Durchführen
einer bestimmten Verdrängung einer Last verwendet werden sollten
und könnten. Durch Steuern der Positionen der Konstantdruckventile
gemäß der oben umrissenen Strategie werden die
Druckverluste im System minimiert. Wie oben beschrieben, können
die Ventile entweder Ventile mit einem Zweiwege-Konstantdruckventil
sein oder vom Valvistor®-Typ unter
Verwendung von Doppel-Pilotdruckschaltungen. In beiden Fällen
wird die Position des Konstantdruckventils gemessen. Der Regulator
oder die Steuervorrichtung können dieselben Eingangssignale
empfangen, die Kompensatorpositionen repräsentieren und
können dieselben Steuersignale, die Ventilsteuersignale
repräsentieren, an andere Fluidlasten im System senden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Verwendung von Konstantdruckventilen
in der Hardware der Fluidanordnung ein gewisser Grad an Redundanz
in das System eingebaut ist. Folglich kann das System in konventioneller
Weise gesteuert werden, selbst falls eine oder mehrere Positionssensoren
versagen sollten.
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KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Zeichnungen lediglich
für illustrative Zwecke entworfen sind und nicht als eine
Definition der Grenzen der Erfindung beabsichtigt sind, für
welche eine Referenz auf die beigefügten Ansprüche
genommen werden sollte. Es versteht sich weiter, dass die Zeichnungen
nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet
sind und dass sie, wenn nicht anders angezeigt, lediglich schematisch
die Strukturen und Prozeduren illustrieren sollen, die hierin beschrieben
sind.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm einer Fluidanordnung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt
eine Fluidanordnung gemäß dem ersten Beispiel
der Anordnung in 1;
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3 zeigt
eine Fluidanordnung gemäß einem zweiten Beispiel
der Anordnung in 1;
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4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht einer Ventilanordnung
gemäß 2; und
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5 zeigt
eine vergrößerte Ansicht einer Ventilanordnung
gemäß 3.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm einer Fluidanordnung 100 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Die gezeigte Fluidventilanordnung
umfasst eine Fluidleitungsanordnung mit einer ersten Leitung 101 und
einer zweiten Leitung 102, wobei die ersten und zweiten
Leitungen 101, 102 mit einem Fluidverbraucher 103 verbindbar
sind. Die Fluidventilanordnung umfasst weiter eine Zufuhrverbindungsanordnung
mit einer durch eine steuerbare Pumpe 105 belieferten Druckverbindung 104 und
einer Tankverbindung 106 zum Abführen von Fluid
zu einem Tank 107. In diesem Beispiel ist die Druckquelle
eine Fluidpumpe 105 variabler Verdrängung. Weiterhin
ist eine erste Ventilanordnung 111 betreibbar, um das Schließen
der Druckverbindung 104 und/oder das Verbinden der Druckverbindung 104 in einer
gesteuerten Weise mit der ersten Leitung 101 zu erzielen
und ist eine zweite Ventilanordnung 112 betreibbar, um
das Schließen der Druckverbindung 104 und/oder
das Verbinden der Druckvorrichtung 104 in einer gesteuerten
Weise mit der zweiten Leitung 102 zu erzielen.
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Eine
dritte Ventilanordnung 113 ist betreibbar, um das Schließen
der Tankverbindung 106 und/oder das Verbinden der Tankverbindung 106 in einer
gesteuerten Weise mit der ersten Leitung 101 zu erzielen
und eine vierte Ventilanordnung 114 ist betreibbar, um
das Schließen der Tankverbindung 106 und/oder
das Verbinden der Tankverbindung 106 in einer gesteuerten
Weise mit der zweiten Leitung 102 zu erzielen. Die dritten
und vierten Ventilanordnungen 113, 114 sind dafür
ausgelegt, den Fluidverbraucher 103 mit dem Tank 107 zu
verbinden, wenn der Fluidverbraucher 103 durch Fluid aus
der Druckleitung 104 angetrieben wird, entweder über
die ersten oder die zweiten Leitungen 101, 102.
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Die
obigen Ventilanordnungen sind mit einer Steuervorrichtung in Form
einer elektronischen Steuereinheit ECU verbunden, die Steuersignale 115–118 zur
Steuerung jeweils jeder individuellen Ventilanordnung 111–114 übertragen
kann. Jede Ventilanordnung 111–114 ist
weiter mit einem entsprechenden jeweiligen Öffnungsgradsensor 121–124 versehen. Die Öffnungsgradsensoren 121–124 sind
mit der Steuervorrichtung ECU verbunden, welche Ausgangssignale 125–128 aus
dem entsprechenden Öffnungsgradsensor 121–124 empfängt.
Beim Empfang eines Steuersignals ist die Steuervorrichtung ECU betreibbar,
die Ventilanordnungen 111–114 in Reaktion
auf die aus jedem Öffnungsgradsensor 121–124 empfangenen
Signale 125–128 zu steuern, welche Signale
proportional zur Größenordnung und Richtung eines
Druckabfalls an der entsprechenden Ventilanordnung 111–114 sind.
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Jeder Öffnungsgradsensor 121–124 ist
Teil eines Einweg- oder bidirektionalen Konstantdruckventils, das
Teil der ersten, zweiten, dritten und vierten Ventilanordnungen 111–114 ist.
Ein Beispiel eines bidirektionalen Konstantdruckventils ist in 4 gezeigt.
Das Konstantdruckventil steuert den Fluss durch die entsprechenden
Ventilanordnungen in Reaktion auf Fluiddruck in Pilotleitungen an
der Ventilanordnung. Wie in 4 gezeigt,
kann das Konstantdruckventil ein Kolbenventil umfassen und der Öffnungsgradsensor
ist ein Positionssensor, der eine Position einer Spule in dem Kolbenventil
bestimmt. Auf diese Weise kann der Druck in den Leitungen auf jeder
Seite jeder Ventilanordnung auf jedes Ende eines Kolbenventils wirken,
das zu einer neutralen, zentralen Position federbelastet ist. Das
Konstantdruckventil kann ein Kolbenventil umfassen und der Öffnungsgradsensor
ist ein Positionssensor, der eine Position einer Spule in dem Kolbenventil
bestimmt. Auf diese Weise kann der Druck in den Leitungen auf beiden
Seiten jeder Ventilanordnung auf beide Enden eines Kolbenventils
wirken, das durch ein Federmittel zu einer neutralen, zentralen
Position vorbelastet ist. Wenn der Druckabfall am druckkompensierten Ventil
größer als die entsprechende Vorbelastung einer
Wendelfeder oder eines ähnlichen Federmittels wird, beginnt
das Konstantdruckventil, den Fluss zu drosseln, um einen konstanten
Druckabfall am Konstantdruckventil aufrecht zu erhalten. Dieser
konstante Druckabfall ist in etwa gleich der Vorlast auf der Feder.
Die Ventilanordnung gestattet eine Flusskompensation in beide Richtungen.
Die Steuervorrichtung ECU kann dann verwendet werden, um eine nicht-lineare
Korrelation zwischen der Position der Spule und dem Öffnungsgrad
der Ventilanordnung zu evaluieren.
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In 1 gestatten
es die Ausgangssignale 125–128 aus jedem Öffnungsgradsensor 121–124 der
Steuervorrichtung ECU, die Größe und Richtung eines
Druckabfalls an zumindest den ersten und zweiten Ventilanordnungen 111–114 zu
bestimmen. Man nehme beispielsweise an, dass es erwünscht wird,
einen Fluidfluss durch den Fluidverbraucher 103 von links
nach rechts zu betreiben, wie in 1 zu sehen,
aber dass keine Information in Bezug auf die auf den Fluidverbraucher
wirkende Last verfügbar ist. Durch Bestimmen der Positionen
der Spulen in den Konstantdruckventilen ist es möglich,
zu bestätigen, bei welchen Ventilen es möglich
ist, sie zu öffnen, um einen Fluidfluss in der gewünschten
Richtung zu erzielen. In diesem Fall muss entschieden werden, welche
der ersten Ventilanordnung 111 oder der dritten Ventilanordnung 113 dem
System Fluid liefern kann und welche der zweiten Ventilanordnung 112 oder
der vierten Ventilanordnung 114 Fluid aus dem Fluidverbraucher 103 empfangen
kann. Das Ziel ist die Minimierung der Energiemenge, die zur Durchführung
von Arbeit erforderlich ist und, falls möglich, Energie
in Form von druckbeaufschlagtem Fluid aus der Last zum System rückzuführen.
Die Steuerstrategie kann wie folgt sein.
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Zuerst,
falls der Öffnungsgradsensor 122 des Konstantdruckventils
in der zweiten Ventilanordnung 112 anzeigt, dass der Druckabfall über
das Konstantdruckventil vom Fluidverbraucher 103 zur Druckverbindung 104 ausreichend
ist, wird dann die dritte Ventilanordnung 113 vom Tank 107 zum
Fluidverbraucher 103 voll geöffnet. Die zweite
Ventilanordnung 112 wird dann zur Steuerung einer gewünschten
Rate an Fluidfluss aus dem Fluidverbraucher 103 zur Druckverbindung 104 verwendet.
In diesem Modus kann die Lastenergie zurück in das System
regenerieren.
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Zweitens,
falls der Druckabfall an der zweiten Ventilanordnung 112 vermindert
oder verloren gegangen ist, wird dies durch den Öffnungsgradsensor 122 des
Konstantdruckventils in der zweiten Ventilanordnung 112 angezeigt.
Dies veranlasst die zweite Ventilanordnung 112, sich zu
schließen. Falls der Öffnungsgradsensor 124 des
Konstantdruckventils in der vierten Ventilanordnung 114 anzeigt,
dass der Druckabfall über das Konstantdruckventil vom Fluidverbraucher 103 zum
Tank 107 ausreichend ist, wird dann die vierte Ventilanordnung 114 verwendet,
um den Fluidfluss aus dem Fluidverbraucher 103 zu steuern
und ihn zum Tank 107 zurückzuführen.
In diesem Modus findet keine Regeneration statt.
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Drittens,
falls der Druckabfall an der vierten Ventilanordnung 114 vermindert
ist oder verloren gegangen ist, wird dies durch den Öffnungsgradsensor 124 des
Konstantdruckventils in der vierten Ventilanordnung 114 angezeigt.
Dies veranlasst die vierte Ventilanordnung 114, sich zu
schließen. In diesem Modus ist die Last auf dem Fluidverbraucher 103 nicht
länger in der Lage, Fluidfluss durch das System in der
gewünschten Richtung zu treiben. Dies veranlasst auch die
dritte Ventilanordnung 113, die den Tank 107 mit
dem Fluidverbraucher 103 während des zweiten Modus
verbindet, sich zu schließen. In diesem Modus muss Fluid
unter Druck zugeführt werden, um das Betreiben eines Fluidflusses
in der gewünschten Richtung fortzusetzen. Dies wird durch Steuern
der ersten Ventilanordnung 111, um eine gewünschte
Rate an Fluidfluss aus der Druckverbindung 104 zum Fluidverbraucher 103 zu
liefern, erzielt.
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Viertens
ist es erwünscht, den Druck an der Fluidrückführseite
der Last aufrecht zu erhalten, so dass eine Regeneration von Energie
zur Druckverbindung 104 wann immer möglich durchgeführt
werden kann. Dies wird durch Steuern der zweiten Ventilanordnung 112 und
der vierten Ventilanordnung 114 mittels Regulatoren unter
Verwendung der Ausgabe der Öffnungsgradsensoren 122 des
Konstantdruckventils in der ersten Ventilanordnung 111 als
ein Ziel zur Minimierung des Druckabfalls an der ersten Ventilanordnung 111 erzielt.
Durch Auswählen unterschiedlicher Referenzwerte für
jeden Regulator kann der Regeneration von Fluiddruck an die Druckverbindung 104 eine
höhere Priorität gegeben werden.
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Die
vier oben beschriebenen Modi können in zwei Hauptmodi unterteilt
werden, nämlich Einlassdosierungs- und Auslassdosierungsmodi.
Auslassdosierung bezieht sich auf einen Modus, wo der Rückkehrfluss
aus dem Fluidverbraucher zum Steuern der Last verwendet wird. Es
kann gesagt werden, dass die Last sich selbst treibt, ohne Energie
aus der Hochdruckseite des Systems zu verwenden. Einlassdosierung
bezieht sich auf einen Modus, bei dem Energie aus der Hochdruckseite
des Systems zum Antreiben der Last verwendet wird. Das Beispiel
in 1 illustriert allgemeine Ventilanordnungen, bei denen
unterschiedliche, elektrisch gesteuerte Ventile zur Steuerung unterschiedlicher
Flussrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise
kann eine Ventilanordnung mit einem Einwege-Konstantdruckventil
zwei getrennte Pilotventile umfassen, eines für jede Richtung
von Fluidfluss. Jedes Pilotventil wirkt als ein Rückschlagventil
in Richtung eines Fluidflusses entgegengesetzt zu demjenigen, für
den es beabsichtigt ist. Diese bestimmte Funktion wird in den oben
beschriebenen dritten und vierten Modi eingesetzt. Alternativ kann
ein bidirektionales Konstantdruckventil ein Paar von steuerbaren
Ventilen mit parallel verbundenen assoziierten Einweg-Ventilen verwenden,
wie in 4 gezeigt.
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Zusätzlich
wird die steuerbare Pumpe 105 in Reaktion auf die Positionen
der Öffnungsgradsensoren 121–124 der
Konstantdruckventile auf dieselbe Weise wie die Ventilanordnungen 111–114 gesteuert. Im
obigen Beispiel werden nur während des vierten Modus betätigte
Lasten zur Steuerung der Pumpe 104 verwendet. Der Grund
dafür ist, dass nur die den höchsten Druck erfordernde
Last zur Steuerung der Pumpe verwendet werden soll. Die größte
Last wird durch Überwachen der Öffnungsgradsensoren
der Konstantdruckventile im Betrieb während des vierten Modus
ausgewählt. Das Konstantdruckventil mit dem größten Öffnungsgrad
und folglich dem niedrigsten Druckabfall wird als Referenzventil
für einen die Pumpe 105 steuernden Regulator verwendet.
Die Pumpe 105 wird dann so gesteuert, dass ein minimaler
Druckabfall über die Ventilanordnung mit dem niedrigsten
Druckabfall aufrechterhalten wird.
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Die
Steuereinheit ECU kann ebenfalls die Ausgangssignale 125–128 aus
jedem Öffnungsgradsensor 121–124 verwenden,
um zu bestimmen, ob der Druck in der Druckverbindung 104 zum
Betätigen des Fluidverbrauchers 103 in Reaktion
auf ein Steuersignal von einem Operator ausreichend ist. Falls der
Druck unzureichend ist, überträgt die Steuereinheit
ECU ein Ausgangssignal 129 an die Pumpe 105, um
den Druck in der Druckverbindung 104 zu steigern. Diese
Sicherheitsfunktion verhindert, dass der Fluidverbraucher 103 mit
der Zufuhrverbindung 104 verbunden wird, wenn der gelieferte
Druck zum Antreiben des Fluidverbrauchers 103 unzureichend
ist.
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Der
Fluidverbraucher 103 wird durch die Steuereinheit ECU in
Reaktion auf ein Eingangssignal 130 von einem Betreiber
betrieben. Die Steuereinheit ECU kann auch Signale 131, 132 von
anderen Fluidlasten oder Fluidverbrauchern senden und empfangen,
die zusammen mit dem gezeigten Fluidverbraucher 103 betreibbar
sind. Ähnlich können die Pumpe 105 und
der Tank 107 mit zusätzlichen Fluidlasten und
Ausläufen 133, 134 zum Zuführen
von Druck und Aufnehmen von Fluidfluid jeweils in derselben Weise
wie oben beschrieben verbunden werden.
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2 zeigt
eine Fluidanordnung 200 gemäß einem ersten
Beispiel der in 1 illustrierten Ausführungsform.
Daher umfasst die Fluidventilanordnung 200 eine erste Leitung 201 und
eine zweite Leitung 202, wobei die ersten und zweiten Leitungen 201, 202 mit
einer ersten und einer zweiten Kammer auf entgegengesetzten Seiten
eines Kolbens in einem Fluidzylinder 203 verbindbar sind.
Die ersten und zweiten Leitungen 201, 202 sind
aus Gründen der Klarheit beide als zwei getrennte Leitungen
auf beiden Seiten der oberen und unteren Abschnitte des Zylinders
gezeigt. Die zwei ersten und die zwei zweiten Leitungen 201, 202 würden
tatsächlich mit demselben entsprechenden Anschluss auf
dem Zylinder 203 verbunden sein, wie durch die Leitungen 101, 102 in 1 angezeigt.
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Die
Fluidventilanordnung umfasst weiter eine Druckverbindung 204,
die durch eine steuerbare Pumpe 205 beliefert wird, und
eine Tankverbindung 206 zum Ableiten von Fluid zu einem
Tank 207. Wie in 1 ist eine
erste Ventilanordnung 211 betreibbar, um ein Schließen
der Druckverbindung 204 und/oder ein Verbinden der Druckverbindung 204 mit der
ersten Leitung 201 in gesteuerter Weise zu erzielen und
ist eine zweite Ventilanordnung 212 betreibbar, um ein
Schließen der Druckverbindung 204 und/oder Verbinden
der Druckverbindung 204 mit der zweiten Leitung 202 in
gesteuerter Weise zu erzielen.
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Eine
dritte Ventilanordnung 213 ist betreibbar, um ein Schließen
der Tankverbindung 206 und/oder Verbinden der Tankverbindung 206 mit
der ersten Leitung 201 in gesteuerter Weise zu erzielen und
eine vierte Ventilanordnung 214 ist betreibbar, um ein
Schließen der Tankverbindung 206 und/oder Verbinden
der Tankverbindung 206 mit der zweiten Leitung 202 in
gesteuerter Weise zu erzielen. Die dritten und vierten Ventilanordnungen 213, 214 sind dafür
ausgelegt, den Fluidverbraucher 203 mit dem Tank 207 zu
verbinden, wenn der Fluidverbraucher 203 durch Fluid aus
der Druckleitung 204 angetrieben wird, entweder über
die erste oder die zweite Leitung 201, 202.
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Jede
Ventilanordnung 211–214 umfasst weiter
ein erstes und ein zweites steuerbares Ventil 241–244, 251–254.
Die ersten und zweiten Ventilanordnungen 211, 212 umfassen
beide ein erstes und ein zweites steuerbares Ventil 241, 242 bzw. 251, 252,
die parallel zwischen der Pumpe und dem Zylinder verbunden sind. Ähnlich
umfassen die dritten und vierten Ventilanordnungen 213, 214 beide
ein erstes und ein zweites steuerbares Ventil 243, 244 bzw. 253, 254,
die parallel zwischen dem Tank und dem Zylinder verbunden sind.
Im Beispiel in 2 umfasst die erst Ventilanordnung 211 ein
erstes solenoidgesteuertes Zweiwegeventil 241. Das erste
Zweiwegeventil 241 ist zu einer geschlossenen Position federbelastet
und ist mit einem Rückschlagventil versehen, das Fluidfluss
zum Zylinder 203 während der Betätigung
des Zweiwegeventils 241 gestattet. Ein zweites Zweiwegeventil 251 ist
zu einer geschlossenen Position federbelastet und mit einem Rückschlagventil
versehen, das Fluidfluss zur Pumpe 205 während
der Betätigung des Zweiwegeventils 251 gestattet.
Die zweite Ventilanordnung 212 ist identisch mit der ersten
Ventilanordnung 211. In ähnlicher Weise sind die
dritten und vierten Ventilanordnungen 213, 214 vom
selben Design und führen dieselbe Funktion in den Fluidleitungen 201, 202 zwischen dem
Zylinder 203 und dem Tank 207 durch.
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Die
obigen Ventilanordnungen sind mit einer Steuervorrichtung (nicht
gezeigt) verbunden, die Steuersignale zur Steuerung jeder individuellen
Ventilanordnung 211–214 jeweils übertragen
kann. Jede Ventilanordnung 211–214 ist
weiterhin jeweils mit einem entsprechenden Öffnungsgradsensor 221–224 versehen.
Die Öffnungsgradsensoren 221–224 sind mit
der Steuervorrichtung verbunden, die Ausgangssignale 225–228 aus
dem entsprechenden Öffnungsgradsensor 221–224 empfängt.
Beim Empfang eines Steuersignals ist die Steuervorrichtung ECU betreibbar,
die Ventilanordnungen 211–214 in Reaktion
auf die aus jedem Öffnungsgradsensor 221–224 empfangenen
Signale 225–228 zu steuern, welche Signale
proportional zur Größenordnung und Richtung eines
Druckabfalls an der entsprechenden Ventilanordnung 211–214 sind.
Jeder Öffnungsgradsensor 221–224 ist
Teil eines Einweg- oder bidirektionalen Konstantdruckventils 261–264 (s. 4),
das Teil der ersten, zweiten, dritten und vierten Ventilanordnungen 211–214 ist.
Das Konstantdruckventil steuert den Fluss durch die entsprechenden
Ventilanordnungen in Reaktion auf Fluiddruck in Pilotleitungen an
den Ventilanordnungen 271–274, 281–284.
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Im
Beispiel von 2 umfasst die erste Ventilanordnung 211 ein
erstes Konstantdruckventil 261. Ein Ende eines Kolbenventils
im Konstantdruckventil (siehe 4) ist mit
der Druckverbindung 204 über eine erste Pilotleitung 271 verbunden.
Das entgegengesetzte Ende des Kolbenventils im Konstantdruckventil 261 ist
mit der ersten Leitung 201 über eine zweite Pilotleitung 281 verbunden.
Die zweite Ventilanordnung 212 umfasst eine erste Pilotleitung 272 und
eine zweite Pilotleitung 282, die in derselben Weise zwischen
der Druckverbindung 204 und der zweiten Leitung 202 verbunden
sind. Ähnlich umfasst die dritte Ventilanordnung 213 eine
erste Pilotleitung 273 und eine zweite Pilotleitung 283,
die zwischen der Tankverbindung 206 und der ersten Leitung 201 verbunden
sind. Die vierte Ventilanordnung 214 umfasst eine erste
Pilotleitung 274 und eine zweite Pilotleitung 284,
die zwischen der Tankverbindung 206 und der zweiten Leitung 202 verbunden
sind. Dies gestattet es den Öffnungsgradsensoren 221–224,
die Größe und Richtung des Druckabfalls an der
entsprechenden Ventilanordnung jederzeit zu überwachen.
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4 zeigt
eine teilweise vergrößerte Ansicht der zweiten
Ventilanordnung 212. In 4 umfasst
das Konstantdruckventil 262 ein Kolbenventil 401 und
der Öffnungsgradsensor 222 umfasst einen Positionssensor 404,
der eine Position einer Spule 202 im Kolbenventil 401 bestimmt.
Ein gewisser Öffnungsgrad wird jeder Position der Spule 402 zugeordnet,
wobei die Position der Spule 402 eine indirekte Bestimmung
des Öffnungsgrads gestattet. Ein Hall-Sensor, ein LVDT
(linearer variabler Differential-Transducer) oder ein anderer geeigneter
Sensor können als Positionssensor 404 verwendet
werden. Die Steuervorrichtung erwägt eine nicht-lineare
Korrelation zwischen der Position der Spule 402 und dem Öffnungsgrad
der Ventilanordnung. Solch eine Korrelation kann beispielsweise
als eine Funktion oder als eine Tabelle gespeichert werden, so dass
es für die Steuervorrichtung einfach ist, die Position
der Spule 402 zu einem Öffnungsgrad zu konvertieren. Die
Bewegungsrichtung der Spule 402 zeigt die Richtung eines
Druckabfalls an der Ventilanordnung 202 an. Auch gibt die
Größenordnung des Öffnungsgrades, wie
durch die Distanz, um die die Spule 402 aus ihrer Neutralposition
versetzt ist, angezeigt, eine Indikation der Größe
des Drucks an der Ventilanordnung 202.
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Auf
diese Weise kann der Druck der Pilotleitungen 272, 282 auf
beiden Seiten der Ventilanordnung 212 auf beide Enden der
Spule 402 wirken, die durch die Wendelfeder 403 oder
ein ähnliches Federmittel zu einer neutralen zentralen
Position federbelastet ist. Wenn der Druckabfall am Konstantdruckventil
größer als die entsprechende Vorbelastung der Wendelfeder 403 wird,
wird die Spule 402 verschoben und das Konstantdruckventil
beginnt, den Fluss zu drosseln, um einen konstanten Druckabfall
am Konstantdruckventil aufrecht zu erhalten. Dieser konstante Druckabfall
ist etwa gleich der Vorlast an der Feder 403. Die Ventilanordnung
gestattet eine Flusskompensation in beiden Richtungen. Die Steuervorrichtung
kann dann zur Evaluierung einer nicht-linearen Korrelation zwischen
der Position der Spule und dem Öffnungsgrad der Ventilanordnung
verwendet werden.
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Größenordnung
und Richtung des Druckabfalls jeder entsprechenden Ventilanordnung
ist schematisch durch Druckmesser 231–234 in 2 angezeigt.
Wenn beispielsweise der Druck in der ersten Leitung 201 gleich
dem Druck in der Druckverbindung 204 ist, wird das Konstantdruckventil
seine neutrale Position einnehmen. Eine Anzeigenadel in dem virtuellen
Druckmesser 231 würde diesen Zustand durch Einnehmen
einer im Wesentlichen vertikalen Position anzeigen. Dieser bestimmte
Zustand ist in dem Druckmesser in 4 gezeigt.
Falls der Druck in der Druckverbindung 204 höher
als der Druck in der ersten Leitung 201 ist, zeigen Richtung
und Größe der Abweichung der Anzeigenadel von
der vertikalen Position Größenordnung und Richtung
des Druckabfalls an den ersten Ventilanordnungen 211 an.
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Das
Positionssignal aus jedem entsprechenden Öffnungsgradsensor 221–224 ist
proportional zum Druckabfall, gestattet der Steuereinheit, zu bestimmen,
welche Ventile zu öffnen oder zu schließen sind,
oder ob eine Pumpenbetätigung erforderlich ist, wenn der
Zylinder 203 in Reaktion auf ein Steuersignal von einem
Operator gesteuert wird. Die Steuereinheit kann auch Signale aus
anderen Fluidlasten oder Fluidverbrauchern übertragen und
empfangen, die gemeinsam mit dem Fluidverbraucher 203,
der gezeigt ist, betreibbar sind. Ähnlich können
die Pumpe 205 und der Tank 207 mit zusätzlichen
Fluidlasten und Ableitungen zum Zuführen von Druck und
Empfangen von Fluidfluid jeweils in derselben Weise wie oben beschrieben
verbunden sein.
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Das
Beispiel in 2 kann durch Ersetzen jedes
Zweiwegeventils durch ein einzelnes Dreiwegventil mit Rückschlagventilen
und einem geschlossenen Zentrum modifiziert werden. Dies würde
die Positionserfassungsfunktion eines am Ventil verbundenen bidirektionalen
Konstantdruckventils nicht beeinträchtigen. Alternativ
kann ein Konstantdruckventil, das Fluss nur in eine Richtung gestattet,
an jedem Zweiwegeventil verbunden sein, was zu einer Ventilanordnung
führt. Im letzteren Fall empfängt die Steuereinheit
ein Signal von jedem Positionssender und muss die Signale vergleichen,
um die Richtung des Druckabfalls an der Ventilanordnung zu bestimmen.
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3 zeigt
eine Fluidanordnung 300 gemäß einem zweiten
Beispiel der in 1 illustrierten Ausführungsform.
Daher umfasst die Fluidventilanordnung 300 eine erste Leitung 301 und
eine zweite Leitung 302, wobei die ersten und zweiten Leitungen 301, 302 mit
einer ersten und einer zweiten Kammer an entgegengesetzten Seiten
eines Kolbens in einem Fluidzylinder 303 verbindbar sind.
Die erste Leitung 301 wird aus Gründen der Klarheit
als zwei getrennte Leitungen auf beiden Seiten des oberen Abschnitts des
Zylinders gezeigt.
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Die
zwei ersten Leitungen 301 würden in der Tat mit
demselben entsprechenden Anschluss auf dem Zylinder 303 verbunden
sein, wie durch die Leitung 302 angezeigt.
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Die
Fluidventilanordnung umfasst weiter eine Druckverbindung 304,
die durch eine steuerbare Pumpe 305 versorgt wird und eine
Tankverbindung 306 zum Ableiten von Fluid zu einem Tank 307.
Wie in 1 ist eine erste Ventilanordnung 311 betreibbar,
um ein Schließen der Druckverbindung 304 und/oder
ein Verbinden der Druckverbindung 304 mit der ersten Leitung 301 in
gesteuerter Weise zu erzielen und ist eine zweite Ventilanordnung 312 betreibbar,
um ein Schließen der Druckverbindung 304 und/oder
Verbinden der Druckverbindung 304 mit der zweiten Leitung 302 in
gesteuerter Weise zu erzielen.
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Eine
dritte Ventilanordnung 313 ist betreibbar, um ein Schließen
der Tankverbindung 306 und/oder Verbinden der Tankverbindung 306 mit
der ersten Leitung 301 in gesteuerter Weise zu erzielen und
eine vierte Ventilanordnung 314 ist betreibbar, um ein
Schließen der Tankverbindung 306 und/oder Verbinden
der Tankverbindung 306 mit der zweiten Leitung 302 in
gesteuerter Weise zu erzielen. Die dritten und vierten Ventilanordnungen 313, 314 sind dafür
ausgelegt, den Fluidverbraucher 303 mit dem Tank 307 zu
verbinden, wenn der Fluidverbraucher 303 durch Fluid aus
der Druckleitung 304 angetrieben wird, entweder über
die erste oder die zweite Leitung 301, 302.
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Jede
Ventilanordnung 311 bis 314 umfasst einen mit
einem ersten und einem zweiten steuerbaren Pilotventil 341–344 bzw. 351–354 versehenen Valvistor® 331–334.
Ein Konstantdruckventil 361–364, 365–368,
das mit einem Öffnungsgradsensor 321–324, 325–328 versehen
ist, ist an jedem Pilotventil 341–344, 351–354 verbunden.
In diesem Beispiel sind die Konstantdruckventile vom Einwegtyp,
da jedes Pilotventil Fluss nur in eine Richtung handhabt. Die Funktion
eines solchen Valvistors® und seiner
assoziierten Pilotventile ist in Verbindung mit 5 unten
beschrieben. 5 zeigt eine vergrößerte
Ansicht der zweiten Ventilanordnung 312. Die zweite Ventilanordnung 312 ist
identisch mit der ersten Ventilanordnung 311. Die dritten
und vierten Ventilanordnungen 313, 314 sind vom
selben Design und führen dieselbe Flusssteuerfunktion in
den Fluidleitungen 301, 302 zwischen den entsprechenden
Anschlüssen des Zylinders 303 und des Tanks 307 durch.
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Die
obigen Ventilanordnungen sind mit einer Steuervorrichtung (nicht
gezeigt) verbunden, die Steuersignale zur Steuerung jeweils jeder
individuellen Ventilanordnung 311–314 übersenden
kann. Jeder Öffnungsgradsensor 321–324, 325-328 in
ihren entsprechenden Konstantdruckventilen 361–364, 365–368 ist
mit der Steuervorrichtung verbunden, die Ausgangssignale aus dem
entsprechenden Öffnungsgradsensor 321–324, 325–328 empfängt.
Die Ausgangssignale zeigen die Position einer Spule in den Konstantdruckventilen
an, welche Positionssignale proportional zur Größe
und Richtung des Druckabfalls an dem entsprechenden Pilotventil 341–344, 351–354 sind.
Dies ist schematisch durch Druckmesser 371–374; 375–378 in 3 angezeigt.
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Beim
Empfang eines Steuersignals ist die Steuervorrichtung zur Steuerung
der Ventilanordnungen 311–314 in Reaktion
auf ein Operator-Steuersignal und der aus jedem Öffnungsgradsensor 321–324, 325–328 empfangenen
Signale betreibbar, welche Signale proportional zur Größenordnung
eines Druckabfalls an den Pilotventilen in den entsprechenden Ventilanordnungen 311–314 sind.
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5 zeigt
eine vergrößerte Ansicht der zweiten Ventilanordnung 312 von 3,
welche Anordnung einen Valvistor® 332 umfasst.
In diesem Valvistor® 332 ist
eine Rille 501, die als eine variable Beschränkung
dient, in der Manteloberfläche des Ventilkonus 502 ausgebildet,
wobei die Rille 501 mit einer Pilotflusskammer 503 in
der geschlossenen Position des Ventilkonus 502 verbunden
ist. Diese Rille 501 ist auch in Fluidverbindung mit einem
Ventilanschluss 504 durch eine Pilotflusspassage 505,
die im Ventilkonus 502 gemacht ist, und mit dem Ventilanschluss 506 durch
eine Pilotflusspassage 507, die ebenfalls im Ventilkonus 502 gemacht
ist, wobei beide dieser Passagen 505, 507 mit
einem Rückschlagventil 508 bzw. 509 versehen
sind, was es unter Druck gesetztem Fluid gestattet, von dem Ventilanschluss 504 bzw.
dem Ventilanschluss 506 zur Rille 501 zu fließen,
die als variable Beschränkung dient und durch diese zum
Raum 503, aber einen Fluss in die entgegengesetzte Richtung
verhindern.
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Der
Raum 503, der als Pilotflusskammer im Valvistor®-Körper 510 dient,
ist wiederum mit den Ventilanschlüssen 504 und 506 verbunden.
Eine erste Pilotflusspassage 511 ist zwischen dem Raum 503 und
dem ersten Ventilanschluss 504 über eine mit der
Pumpe 305 verbundene Druckverbindung 304 vorgesehen.
In der Pilotflusspassage 511 ist ein solenoidbetätigtes
erstes Pilotventil 352 angeordnet. Dieses Ventil kann ein
elektrisch betätigtes Solenoidventil oder ein Proportionalmagnetventil
sein, das zwischen seinen zwei Endpositionen stufenlos gesteuert wird.
Das erste Pilotventil 352 kann zwischen einer nicht betätigten
geschlossenen und einer betätigten offenen Position bewegt
werden. In diesem Beispiel sind die Pilotventile ein solenoidbetätigtes
Zweiwege- oder Zwei-Anschluss-Ventil, die zu einer geschlossenen
Position federbelastet sind. In der geschlossenen Position verhindert
das erste Pilotventil 352 das Ausfließen von druckbeaufschlagtem
Fluid aus dem Raum 503. Eine zweite Pilotflusspassage 514 ist
zwischen dem Raum 503 und dem zweiten Ventilanschluss 506 vorgesehen.
In der Pilotventilpassage 514 ist ein solenoidbetätigtes
zweites Pilotventil 342 angeordnet. Das zweite Pilotventil 342 kann
zwischen einer nicht betätigten, geschlossenen und einer
betätigten, offenen Position bewegt werden. In der geschlossenen
Position verhindert das zweite Pilotventil 342 das Ausschließen
von druckbeaufschlagtem Fluid aus dem Raum 503.
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In
der obigen Anordnung ist der Druck im Raum 503 derselbe
wie im ersten Ventilanschluss 504 oder im zweiten Ventilanschluss 506,
abhängig davon, welcher Anschluss den höchsten
Druck aufweist. Spezifischer wird der Druck im Raum 503 derselbe
wie der Druck stromaufwärts des Ventilkonus 502 sein,
bei Betrachtung in Flussrichtung, unabhängig davon, welcher
Ventilanschluss 504, 506 als Eingang betätigt
wird, da der Druck immer höher auf der Eingangsseite als
auf der Ausgangsseite ist. Der im Raum 503 vorherrschende
Druck führt zu einer Haltekraft, die auf eine Endoberfläche 515 des
Ventilkonus 502 wirkt, und die größer
abhängig vom Flächenverhältnis ist als
der vom Anschluss 504, 506 abhängige
gegengerichtete Druck, der als Eingabe dient und auf zumindest einen
Teil der konischen Endoberfläche 516 des Ventilkonus
wirkt. Folglich hält der im Raum 503 vorherrschende
Druck den Ventilkonus 502 in seiner geschlossenen Position,
solange die Pilotventile 352, 342 geschlossen
sind.
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Wenn
beispielsweise das erste Pilotventil 352 geöffnet
wird, entsteht ein Pilotfluss aus dem Raum 503 über
die Pilotflusspassage 511 zu einer Position stromabwärts
des als Ausgabe dienenden Ventilanschluss, d. h. in diesem Fall
dem Anschluss 504. Folglich wird der Ventilkonus 502 dazu
gebracht, sich aus seiner geschlossenen Position zu bewegen und
die Verbindung durch den Ventilkörper 510 zu öffnen
und der Ventilkonus 502 wird dann dazu gebracht, sich aus
seiner geschlossenen Position so weit zu bewegen, wie erforderlich,
zur Herstellung eines Flussgleichgewichtes zwischen dem Fluss durch den
Ventilkonus 502 und dem Fluss durch das Steuerpilotventil 352.
Durch die von dem Pilotventil 352 angebotene stufenlose
Steuerung wird der Ventilkonus 502 ebenfalls zwischen seinen
Endpositionen stufenlos gesteuert und es wird folglich auf diese Weise
eine Möglichkeit erhalten, die Geschwindigkeit des Kolbens
im Zylinder 303 zu steuern.
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Ein
Rückschlagkonstantdruckventil 362, 366 ist
an jedem Pilotventil 342, 352 über Leitungen 381, 382 und 383, 384 verbunden,
die mit der entsprechenden Pilotleitung 514, 511 stromauf
und stromab jedes Pilotventils 342, 352 verbunden
sind. Der Öffnungsgradsensor 322, 326 in
jedem Konstantdruckventil 362, 366 ist dafür
ausgelegt, ein Positionssignal an eine (nicht gezeigte) elektronische
Steuereinheit zu übertragen. Die Positionssignale geben
die Position einer Spule im entsprechenden Konstantdruckventil 362, 366 an
und gestatten der Steuereinheit, die Größenordnung
des Druckabfalls an jedem Pilotventil 342, 352 zu
bestimmen. Jede Ventilanordnung 311–314 in 3 ist
mit einem Valvistor® 331–334 versehen,
wie oben beschrieben. Die erste Ventilanordnung 311 hat
ihren entsprechenden Ventilanschluss 504 des Valvistors® 331 mit der Druckverbindung 304 verbunden,
in derselben Weise wie in der zweiten Ventilanordnung 312.
In den dritten und vierten Ventilanordnungen 313, 314 sind
die entsprechenden Ventilanschlüsse 504 des Valvistors® 333, 334 mit
der Tankverbindung 306 verbunden. Wie oben gesagt, ist
jeder Öffnungsgradsensor 321–324, 325–328 Teil
eines Konstantdruckventils 361–364, 365–368,
das Teil der ersten, zweiten, dritten und vierten Ventilanordnungen 311–314 ist.
Das Konstantdruckventil steuert den Fluss durch die entsprechenden
Ventilanordnungen in Reaktion auf Fluiddruck in Pilotleitungen an
der Ventilanordnung. Folglich kann die Steuereinheit den Fluidzylinder
in Reaktion auf ein Eingangssignal durch einen Operator durch Steuern
jedes Valvistors® 331–334 steuern, welche
Valvistoren® wiederum durch Öffnen
und Schließen der entsprechenden Pilotventile gesteuert wurden.
Die Steuerung der Pilotventile und/oder des durch die Pumpe gelieferten
Drucks wird durch den an jedem Pilotventil erfassten Druckabfall
bestimmt.
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Um
den Zylinder 303 in Richtung des Pfeils A gegen die Wirkung
einer Last F zu betätigen, wie in 3 gezeigt,
wird die Pumpe 305 gesteuert, unter Druck stehendes Fluid
zu liefern. Solange das erste und zweite Pilotventil 352, 342 geschlossen
gehalten werden, wird auch der Ventilkonus 502 in geschlossener
Position gehalten, da der Druck im als Eingang dienenden Ventilanschluss 504 und
im Raum 503 gleich ist. Falls die Steuereinheit unter Verwendung des
Positionssignals des Öffnungsgradsensors 322 bestimmt,
dass der Druck in der Pilotleitung 514 höher als
der Druck im zweiten Ventilanschluss 506 ist, kann dann
das zweite Pilotventil 342 geöffnet werden. Wenn
das zweite Pilotventil 342 betätigt wird, entsteht
ein Pilotfluss aus dem Raum 503 hinter dem Ventilkonus 502 zum
als Ausgabe dienenden zweiten Ventilanschluss 506. Vorausgesetzt,
dass der Druck im ersten Ventilanschluss 504 höher
als derjenige im zweiten Ventilanschluss 506 ist, veranlasst
dieser Pilotfluss den Ventilkonus 502 dazu, sich aus seiner
geschlossenen Position zu bewegen und das Ventil zu öffnen.
Dies gestattet Druckfluid, direkt aus dem ersten Ventilanschluss 504 zum
zweiten Ventilanschluss 506 in eine erste Kammer 303 des
Zylinders 303 zu fließen, der dann betätigt
wird, um gegen eine Last F zu arbeiten. Die obige Anordnung stellt
eine ausfallsichere Funktion bereit, die die Ventilanordnung 312 daran
hindert, zu öffnen, wenn nicht der aus der Pumpe 305 gelieferte
Druck höher als der Druck in der ersten Kammer 303a des
Zylinders 303 ist.
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Um
den Zylinder 303 in einer Richtung des Pfeils B zu betätigen,
sind zwei Betriebsmodi möglich. In einem ersten Modus wird
die Pumpe 305 zum Regenerieren von Druckfluid aus der ersten
Kammer 303a des Zylinders 303 verwendet. Solange
wie das erste und zweite Pilotventil 352, 342 geschlossen
gehalten werden, wird auch der Ventilkonus 502 in der geschlossenen
Position gehalten, da der Druck in dem als Eingang dienenden Ventilanschluss 504 und im
Raum 503 gleich sind. Wenn das erste Pilotventil 352 betätigt
wird, entsteht eine Pilotfluss aus dem Raum 503 hinter
dem Ventilkonus 502 zum als Ausgang dienenden ersten Ventilanschluss 504.
Vorausgesetzt, dass der Druck im zweiten Ventilanschluss 506 höher
als der im ersten Ventilanschluss 504 ist, veranlasst dieser
Pilotfluss den Ventilkonus 502, sich aus seiner geschlossenen
Position zu bewegen und das Ventil zu öffnen. Dies gestattet
dem Druckfluid, direkt aus der ersten Kammer 303a des Zylinders 303 durch
den zweiten Ventilanschluss 506 zum ersten Ventilanschluss 504 zu
fließen. Aus dem ersten Ventilanschluss 504 fließt
ein erstes Volumen von Druckfluid durch die betätigte,
geöffnete dritte Ventilanordnung 313, um die zweite
Kammer 300b des Zylinders 303 zu füllen,
während sich der Kolben in die Richtung des Pfeils B bewegt.
Ein zweites Volumen an Druckfluid fließt durch die Druckverbindung 304 zur
Pumpe 305, die als Motoren zur Wiedergewinnung von Energie
oder Fluiddruck angetrieben werden.
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In
einem zweiten Modus wird die Pumpe 305 gesteuert, Druckfluid
zur Betätigung des Zylinders 303 in der Richtung
des Pfeils B zu liefern. In der ersten Ventilanordnung 311 werden
die ersten und zweiten Ventilanschlüsse 352, 342 geschlossen
gehalten und der Ventilkonus 502 wird auch in geschlossenen Position
gehalten, weil der in dem als Eingang dienenden Ventilanschluss 504 und
im Raum 503 der Druck gleich ist. In der Ventilanordnung 36 wird
ein Solenoidventil 38 (siehe 3) betätigt,
um einen Pilotfluss bereitzustellen, der einen Ventilkonus 39 dazu
veranlasst, sich aus einer geschlossenen Position zu einer offenen
Position zu bewegen und Fluss aus der Pumpe 305 zur zweiten
Kammer 303b des Zylinder 303 zu gestatten. Vorausgesetzt,
dass der Eingangsanschlussdruck, der aus der Pumpe 305 geliefert
wird, höher als der des Ventilanschluss in der zweiten
Kammer 303b ist, wird sich der Ventilkonus 39 öffnen.
Dies gestattet es Druckfluid, direkt aus den Eingangsanschluss zum
Ausgangsanschluss der Ventilanordnung 36 in die erste Kammer 303a des
Zylinders 303 zu fließen.
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Gleichzeitig
wird die zweite Ventilanordnung 35 betätigt, um
Fluid zu gestatten, zu dem Tank 34 abgeleitet zu werden.
Dies wird mittels eines solenoidbetätigten Zweianschlussventils
erzielt. Wenn das solenoidbetätigte Ventil geöffnet
wird, bewegt sich ein Sitzventil zu einer offenen Position, um Fluid
zu gestatten, direkt aus der ersten Kammer 303a zum Tank 34 zu
fließen.
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Im
in 5 gezeigten Beispiel wird eine Ventilanordnung 312 gemäß der
Erfindung verwendet, um eine ausfallsichere Betätigung
des Zylinders 303 in einem Fall bereitzustellen, bei dem
der Druck im Ausgangsanschluss höher als derjenige im Eingangsanschluss
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Fluidventilanordnung,
umfassend: eine Fluidleitungsanordnung, die eine erste Leitung und
eine zweite Leitung aufweist, wobei die ersten und zweiten Leitungen
mit einem Fluidverbraucher verbindbar sind; eine Zufuhrverbindungsanordnung mit
einer Druckverbindung und einer Tankverbindung, und eine Anzahl
von Ventilanordnungen zum Verbinden des Verbrauchers mit der Druckverbindung
oder dem Tank, und eine Steuervorrichtung, die die Ventilanordnungen
steuert. Das Verfahren involviert das Detektieren von Ausgangssignalen
aus Öffnungsgradsensoren, die an den zumindest ersten und
zweiten Ventilanordnungen verbunden sind, um Größenordnung
und Richtung eine Druckabfalls an den zumindest ersten und zweiten
Ventilanordnungen zu bestimmen, unter Verwendung der Ausgangssignale.
Der Fluidverbraucher wird dann auf Basis der Ausgabe der Sensoren
gesteuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5568759 [0002]
- - GB 2406363 [0003]
- - EP 06120006 [0024]
- - EP 0620006 [0025]