DE19543876A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hydroanlage eines Arbeitsgerätes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hydroanlage eines ArbeitsgerätesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines
gegen eine Last wirkenden mehrstufigen Hydrozylinder eines
Arbeitsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
und eine nach dem Verfahren arbeitende Hydroanlage eines
Arbeitsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Hydrozylinder sind in modernen Hydroanlagen neben dem Hy
dromotor ein unentbehrliches Gerät für die Umformung hy
draulischer Energie in mechanische Energie. Üblicherweise
wird bei einer Hydroanlage eine Hydropumpe durch einen Mo
tor angetrieben und Hydraulikfluid aus einem Tank angesaugt
und durch die Druckleitung der Hydroanlage hin zum Hydrozy
linder gefördert. Über ein Wegeventil in der Druckleitung
zwischen Hydropumpe und Hydrozylinder läßt sich die Bewe
gungsrichtung des Kolbens im Hydrozylinder steuern. Der mit
einer Last beaufschlagte Hydrozylinder stellt für das Hy
draulikfluid einen Widerstand dar, wobei der Druck im Hy
drozylinder solange ansteigt, bis die resultierende Kraft
ausreicht, um den Kolben entgegen dem Widerstand der Last
zu bewegen. Die maximal bewegbare Kraft ist im wesentlichen
vorgegeben durch den maximalen Pumpendruck und den wirksa
men Durchmesser des Hydrozylinders.
Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens des Hydro
zylinders ist vom maximalen Förderstrom der Hydropumpe ab
hängig. Für den Fall, daß schnelle Stellbewegungen des Hy
drozylinders erforderlich sind, muß eine hohe Pumpenlei
stung zur Verfügung gestellt werden. Um die Pumpenleistung
gering zu halten, ist in der Druckleitung ein Hydrospeicher
vorgesehen, der von der Pumpe gefüllt wird, wenn während
eines Arbeitszyklus der erforderliche Volumenstrom zum Aus
fahren des Hydrozylinders kleiner als der maximale Pumpen
volumenstrom ist. Wird in einem Betriebszustand der maxima
le Volumenstrom zum schnellen Ausfahren des Hydrozylinders
benötigt, so kann die Differenz zum Volumenstrom der Pumpe
aus dem Hydrospeicher entnommen werden. Der Einsatz dieser
Hydrospeicher erlaubt somit eine Verringerung der maximalen
Pumpenleistung. Beim Einfahren des Hydrozylinders wird das
dabei verdrängte Hydraulikfluid wieder zurück in den Tank
geführt, wobei es aufgrund der Drosselung des rückströmen
den Hydraulikfluids zu Erwärmungen kommt. Die in dem rück
strömenden Hydraulikfluid gespeicherte Energie geht prak
tisch ungenutzt verloren. Da man bei modernen Hydraulikan
lagen stets bemüht ist, den Energieaufwand weitestgehend zu
minimieren, wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen die
Hydraulikpumpe derart ausgelegt ist, daß sie beim Einfahren
des Hydrozylinders als Motor wirkt, der durch das rückströ
mende Hydraulikfluid angetrieben wird. Über diesen Hydromo
tor kann beispielsweise ein Generator angetrieben werden,
so daß ein Teil der im rückströmenden Hydraulikfluid ge
speicherten Energie in mechanische oder elektrische Energie
umgewandelt wird. Des weiteren wird einer unerwünschten Er
wärmung des Hydraulikfluids vorgebeugt, da dieses nicht ge
drosselt werden muß.
Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Hydraulikpumpe
erfordert diese Lösung jedoch einen erheblichen vorrich
tungstechnischen Aufwand und somit erhöhte Investitionsko
sten.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Ansteuerung eines Hydrozylinders und eine Hy
droanlage eines Arbeitsgerätes zu schaffen, die bei minima
lem vorrichtungstechnischem Aufwand einen Betrieb des Ar
beitsgerätes mit minimiertem Energiebedarf erlauben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Hydro
anlage durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
Durch die Maßnahme, einen Hydrozylinder mit einer Vielzahl
von Wirkflächen zu versehen und diese Wirkflächen des Hy
drozylinders in Abhängigkeit von einem erfaßten Arbeits
druck in der Druckleitung anzusteuern, läßt sich der Druck
in der Druckleitung zum Hydraulikzylinder so einstellen,
daß er etwa demjenigen des Hydrospeichers entspricht, so
daß zumindest ein Teil des rückströmenden Hydraulikfluids
beim Einfahren des Hydrozylinders zum Laden des Hydrospei
chers verwendet werden kann. Durch diese erfindungsgemäße
Maßnahme läßt sich der Energiebedarf der Hydroanlage gegen
über herkömmlichen Lösungen verringern, wobei lediglich ein
minimaler vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist,
da die Ansteuerung der Wegeventile über vergleichsweise ko
stengünstige hydraulische oder elektrische Steuergeräte er
folgen kann.
Eine optimale Energieersparnis erreicht man, wenn der Ar
beitsdruck in der Druckleitung gemäß den Vorgaben des Un
teranspruchs 2 gewählt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hydrozylinder drei
Wirkflächen hat, von denen zwei Wirkflächen in Ausfahrrich
tung und eine Wirkfläche in Einfahrrichtung des Hydrozylin
ders oder, genauer gesagt, des Kolbens des Hydrozylinders
wirken, wobei jeder Wirkfläche ein elektrisch oder hydrau
lisch betätigbares 3/2-Wegeventil zugeordnet ist. Durch ge
eignete Ansteuerung der Wegeventile lassen sich die drei
Wirkflächen beliebig kombinieren, so daß fünf Druckstufen
einstellbar sind.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wirkflächen
verhältnisse gemäß den Vorgaben des Unteranspruchs 5 ge
wählt werden, so daß sich fünf gleichmäßig beabstandete
Druckstufen einstellen lassen.
Einen besonders einfachen und kompakten Aufbau des Hydrozy
linders erhält man, wenn dieser mit einem tassenförmigen
Differentialkolben ausgeführt ist, wobei die an der Kolben
rückseite ausgebildete Wirkfläche und die durch eine Sack
lochbohrung des Differentialkolbens ausgebildete Wirkfläche
in Ausfahrrichtung wirken, während die Ringfläche des Dif
ferentialkolbens in Einfahrrichtung wirkt.
Vorteilhafterweise wird in der Druckleitung ein Drucksensor
vorgesehen, der das Eingangssignal für das vorzugsweise
elektrisch oder hydraulisch wirkende Steuergerät bildet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge
genstand der sonstigen Unteransprüche.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt ein
Schaltschema eines Zylinderantriebs für ein Hubwerk.
Dabei kann es sich beispielsweise um das Hubwerk eines Ga
belstaplers oder eines ähnlichen Arbeitsgerätes handeln.
Das dargestellte Hubwerk hat einen Hubzylinder 1, dessen
Kolben 2 mit einer Last F beaufschlagt ist, die durch Aus-
oder Einfahren des Kolbens 2 bewegbar ist. Der Kolben 2 ist
in Differentialbauweise ausgebildet und hat eine
Sackloch-Innenbohrung 4, die in der Kolbenrückseite, im folgenden
Kolbenfläche 6 genannt mündet.
Der Kolben 2 ist in einem Zylindermantel 8 geführt, der
beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Mittelsäule 10
ausgebildet ist, die sich koaxial durch den Innenraum des
Zylindermantels 8 erstreckt und die in die Innenbohrung 4
des Kolbens 2 eintaucht.
Wie aus der Figur hervorgeht, ist der vom Zylindermantel 8
umgebene Zylinderraum durch die Mittelsäule 10 als Ringraum
ausgebildet, in dem der Kolben 2 geführt ist.
Der radial erweiterte Bundabschnitt 12 des Kolbens 2 ist an
den Innenflächen des Zylindermantels 8 geführt und über
Dichtungen 14 abgedichtet. Der kolbenstangenseitige Teil 16
des Kolbens 2 hat gemäß der Figur einen tassenförmigen
Querschnitt und durchsetzt mit seinen Mantelflächen eine
ringförmige Durchgangsausnehmung 18, die in der kolbenstan
genseitigen Stirnfläche des Zylindermantels 8 ausgebildet
ist. In der Durchgangsausnehmung 18 sind wiederum Dich
tungseinrichtungen 14 zur Abdichtung der Zylinderraumstirn
fläche vorgesehen.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung des Kolbens 2
werden drei Zylinderräume 20, 22 und 24 gebildet. Der erste
Zylinderraum 20 ist in Radialrichtung durch den Zylinder
mantel 8 und die Mittelsäule 10 und in Axialrichtung durch
die untere Innenstirnfläche des Zylindermantels 8 und durch
die Kolbenfläche 6 begrenzt. Der zweite Zylinderraum 22 ist
durch den stirnseitigen Abschnitt der Innenbohrung 4 und
die Stirnfläche der Mittelsäule 10 gebildet. Der dritte Zy
linderraum 24 ist einerseits durch die Ringfläche 26 des
Bundabschnitts 12 des Kolbens 2 und andererseits durch die
Innenfläche der oberen (Darstellung gemäß Figur) Stirnflä
che des Zylindermantels 8 und andererseits durch den Außen
umfang des kolbenstangenseitigen, radial zurückgestuften
Abschnitts 16 des Kolbens 2 und durch die Innenumfangsflä
che des Zylindermantels 8 begrenzt. Die wirksamen Flächen
der Zylinderräume sind somit durch die Fläche A1 der Kol
benfläche 6, die Fläche A2 der Ringfläche 26 und die Stirn
fläche A3 der Innenbohrung 4 gebildet.
Am Zylindermantel 8 sind zwei Anschlüsse 28 und 30 ausge
bildet, die in den Zylinderraum 20 bzw. 24 münden. Die Mit
telsäule 10 des Zylindermantels 8 ist von einer axialen An
schlußbohrung 32 durchsetzt, die im zweiten Zylinderraum 22
mündet.
Die Anschlüsse 28, 30 und die Anschlußbohrung 32 sind mit
Arbeitsleitungen 34, 36, 38 verbunden, über die Hydraulik
fluid den jeweiligen Zylinderräumen 20, 24 und 22 zuführbar
ist. Die Arbeitsleitungen 34, 36, 38 sind zu drei im we
sentlichen gleich aufgebauten 3/2-Wegeventilen 40a, b, c ge
führt, die über eine Feder in eine Grundstellung (nicht ge
zeigt) vorgespannt sind. In dieser Schaltstellung ist ein
Arbeitsanschluß A mit einem Druckanschluß T jedes Wegeven
tils 40a, b, c verbunden.
Die Druckanschlüsse P der drei Wegeventile 40a, b, c sind
über Verbindungsleitungen zu einer gemeinsamen Druckleitung
42 geführt, die mit einem Anschluß D eines Proportionalven
tils 44 verbunden ist. In der gezeigten Endstellung des
Proportionalventils 44 ist der Anschluß D mit einem Pumpen
anschluß P′ verbunden, während ein Tankanschluß T abge
sperrt ist. In der anderen Endstellung des Proportionalven
tils 44 ist der Anschluß D mit einem Tank T verbunden.
Zum Pumpenanschluß P′ des Proportionalventils 44 ist eine
Pumpenleitung 46 geführt, die mit einer Verstellpumpe 48
verbunden ist. Von der Pumpenleitung 46 zweigt eine Zweig
leitung zu einem Hydrospeicher 50 ab, der beispielsweise
als Blasenspeicher ausgebildet sein kann.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wegeventile
40a, b, c als elektrisch betätigbare Magnetventile ausgebil
det, so daß bei Erregung des jeweiligen Elektromagnets 41
das Wegeventil 40 aus der Grundstellung in die gezeigte
Schaltstellung gebracht wird, in der der jeweilige Anschluß
B mit einem Tankanschluß T verbunden ist.
Die Ansteuerung der Elektromagneten 41 der Wegeventile
40a, b, c erfolgt über ein Steuergerät 52, über das die Wege
ventile 40a, b, c wahlweise ansteuerbar sind. Als Eingangssi
gnal für das Steuergerät 52 wird beim gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel das Signal eines Drucksensors 54 verwendet,
der den Druck in der Druckleitung 42 erfaßt und ein Signal
an das Steuergerät 52 abgibt.
Gemäß der vorliegenden Verschaltung läßt sich in der ge
zeigten Ausgangsposition (Elektromagnete 41 nicht erregt,
Proportionalventil 44 verbindet P′-D) Hydraulikfluid von
der Pumpe 48 oder aus dem Hydrospeicher 50 über das Propor
tionalventil 44 und die Wegeventile 40 in die Zylinderräume
20, 22 und 24 einleiten, so daß - bei geeignetem System
druck - aufgrund des auf die Flächen A1 und A3 wirkenden
Kräfte die Last F gegen die auf die Ringfläche 26 (A2) wir
kende Kraft nach oben verschiebbar ist.
Die Flächen der Wirkflächen A1, A2 und A3 sind beim gezeig
ten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß:
A1 = 4 × A3
A1 = 2 × A2
und somit
A2 = 2 × A3.
Durch entsprechende Ansteuerung der Wegeventile 40 lassen
sich fünf Druckstufen einstellen. Bei dem in der Figur dar
gestellten Schaltzustand wird die der Last F entgegenwir
kende Gesamtwirkfläche durch die Flächendifferenz
A1 + A3-A2
bestimmt. Die weiteren Schaltvarianten lassen sich der Ta
belle 1 entnehmen, wobei mit dem Begriff "EIN" und "AUS"
der Zustand gekennzeichnet ist, bei dem der jeweilige Elek
tromagnet erregt ist (EIN) (siehe Figur) oder abgeschaltet
(AUS) ist.
Das heißt, durch entsprechende Ansteuerung der Wegeventile
40a, b, c lassen sich fünf Wirkflächen vorwählen, die das 1
bis 5-fache der kleinsten Fläche, d. h. der Stirnfläche A3
der Innenbohrung 4 betragen.
Die Ansteuerung der Wegeventile 40a, b, c erfolgt derart,
daß sich ein Druck - wie im folgenden noch näher ausgeführt
wird - in der Druckleitung 42 einstellt, der etwa gleich
dem Systemdruck im Hydrospeicher 50 ist. Dazu wird im Steu
ergerät eine Sollwerttafel abgespeichert, gemäß der der
Druck in der Druckleitung 42 beim Ausfahren des Kolbens 2
etwa um die Regeldruckdifferenz am Proportionalventil 44
geringer als der Druck im Hydrospeicher 50 und beim Einfah
ren des Kolbens 2 etwa um die Regeldruckdifferenz am Pro
portionalventil 44 größer als der Systemdruck im Hydrospei
cher 50 ist. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß
bei der Verdrängung von Hydraulikfluid aus den Zylinderräu
men des Hubzylinders 1 dieses zurück in den Hydrospeicher
50 führbar ist und nicht "ungenutzt" in den Tank entspannt
werden muß. Auf diese Weise läßt sich der Energieverbrauch
der Anlage gegenüber herkömmlichen Lösungen ganz erheblich
minimieren, wobei lediglich ein minimaler vorrichtungstech
nische Aufwand erforderlich ist.
Zum besseren Verständnis soll im folgenden kurz die Ar
beitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wer
den.
Beim Anheben einer unbekannten Last F wird zunächst die
Schaltstellung 5 vorgewählt, in der die maximale wirksame
Fläche A1 + A3 voreingestellt ist, indem die Elektromagnete
der Wegeventile 40a und 40b erregt werden und somit der
dritte Zylinderraum 24 nicht mit Hydraulikfluid versorgt
wird. Des weiteren wird das Proportionalventil 44 in eine
Stellung gebracht, in der die Anschlüsse D und P′ miteinan
der verbunden sind, so daß Hydraulikfluid von der Pumpe 48
oder aus dem Hydrospeicher 50 in die Zylinderräume 20 und
22 eingeführt wird, so daß der Druck in diesen Räumen an
steigt, bis die Last F angehoben wird. Unmittelbar nach dem
Anheben der Last F wird der Druck in der Druckleitung 42
durch den Drucksensor 54 erfaßt und als Eingangssignal an
das Steuergerät 52 weitergeleitet. In diesem erfolgt ein
Vergleich des Ist-Drucks in der Druckleitung 42 mit einem
vorgegebenen Soll-Wert, der in Abhängigkeit vom voreinge
stellten Systemdruck (Speicherdruck) vorgegeben ist. In Ab
hängigkeit von dem Vergleichsergebnis werden dann die Wege
ventile 40a, b, c derart angesteuert, daß sich in der Druck
leitung 42 durch geeignete Wahl der Wirkflächen (A1 bis A3)
ein Druckniveau einstellt, das etwa um die Regeldruckdiffe
renz niedriger ist, als der Systemdruck im Druckspeicher 50
(Anheben). Zum Absenken der Last F wird der Sollwert derart
abgeändert, daß der sich einstellende Druck in der Druck
leitung 42 um die Regeldruckdifferenz größer ist, als der
Druck im Hydrospeicher 50.
Das erfindungsgemäße Steuergerät 52 erlaubt auch das Aus
gleichen von kurzzeitigen Schwankungen in der Einfahr- und
Ausfahrbewegung, wobei gemäß der voreingestellten
Soll-Werttafel durch Umschalten der Wegeventile 40a, b, c auf
eventuelle Druckschwankungen in der Druckleitung 42 und so
mit in den Zylinderräumen 20, 22 und 24 reagiert werden
kann, ohne daß Hydraulikfluid in erheblichem Maße von der
Pumpe 48 nachgefördert werden muß.
Zum endgültigen Absenken des Kolbens 2 wird durch entspre
chende Schaltung der Ventile 40a, b, c in der Leitung 42 ein
Druck eingestellt, der um die Regeldruckdifferenz im Ventil
44 (PD-Pp′) höher ist als der Druck im Hydrospeicher 50.
Durch Drosselung im Ventil 44 wird der Kolben 2 definiert
abgesenkt, wobei Hydraulikmedium von D nach P′ in den Spei
cher 50 fließt. Die Schaltstellung des Ventils 44 ist
zur Entlastung der Zylinderräume 20, 22 und 24 nötig.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät als
elektrisch wirkende Einrichtung ausgebildet, selbstver
ständlich kann das Steuergerät auch hydraulisch wirkend
ausgeführt werden, wobei auch die Wegeventile 40 hydrau
lisch ansteuerbar ausgestaltet werden können. Des weiteren
sind auch andere Ausgestaltungen des Hubzylinders 1 oder
der gezeigten Ventile vorstellbar, ohne das erfindungsgemä
ße Grundprinzip zu verlassen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines gegen eine Last wirken
den mehrstufigen Hydrozylinders (1) eines Arbeitsgerä
tes, der zumindest zwei wahlweise zuschaltbare Wirkflä
chen (A1, A2, A3) hat und der über eine Hydraulikpumpe
(48), einen Hydrospeicher (50) und ein Regelventil (44)
mit Hydraulikfluid versorgt wird, gekennzeichnet durch
die Schritte:
- - Erfassen des Arbeitsdrucks in einer Druckleitung (42) zum Hydrozylinder (1);
- - Ansteuerung der Wirkflächen (A1-A3) des Hydrozylin ders (1) in Abhängigkeit vom erfaßten Arbeitsdruck derart, daß der sich einstellende Arbeitsdruck ei nem Solldruck entspricht, der eine Rückführung des Hydraulikfluids vom Hydrozylinder (1) zum Hydro speicher (50) erlaubt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Hydroanlage
ein Hubwerk eines Arbeitsgeräts, vorzugsweise eines Ga
belstaplers ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll
druck beim Ausfahren des Hydrozylinders (1) etwa dem
Speicherdruck minus der Regeldruckdifferenz am Regel
ventil (44) und beim Einfahren etwa dem Speicherdruck
plus der Regeldruckdifferenz am Regelventil (44) ent
spricht.
3. Hydroanlage eines Arbeitsgerätes, insbesondere zur
Durchführung eines Verfahrens nach einem der Patentan
sprüche 1 oder 2, mit einem Hydrozylinder (1), der zum
Ausfahren, Halten oder Einfahren eines Kolbens (2) über
ein Regelventil (44) aus einem Hydrospeicher (50)
und/oder einer Hydropumpe (48) mit Hydraulikfluid ver
sorgbar ist, wobei der Hydrozylinder (1) mehrere Wirk
flächen (A1-A3) hat, die zum Verstellen des Hydrozylin
ders (1) wahlweise ansteuerbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wirkfläche (A1-A3) jeweils ein Ventil (40a, b, c) zugeordnet ist, und daß ein Steuergerät (52) vorgesehen ist, über das die Ven tile (40a, b, c) in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck in der Druckleitung (42) zum Hydrozylinder (1) ansteuerbar sind.
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wirkfläche (A1-A3) jeweils ein Ventil (40a, b, c) zugeordnet ist, und daß ein Steuergerät (52) vorgesehen ist, über das die Ven tile (40a, b, c) in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck in der Druckleitung (42) zum Hydrozylinder (1) ansteuerbar sind.
4. Hydroanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Hydrozylinder (1) drei Wirkflächen (A1-A3)
hat, von denen eine erste und eine dritte Wirkfläche
(A1, A3) in Ausfahr- und eine zweite Wirkfläche (A2) in
Einfahrrichtung wirken, wobei jedem eine Wirkfläche
(A1-A3) bildenden Zylinderraum (20, 22, 24) ein 3/2-We
geventil (40a, b, c) zugeordnet ist, über das der jewei
lige Zylinderraum (20, 22, 24) wahlweise mit der Druck
leitung (42) oder mit einem Tank (T) verbindbar ist.
5. Hydroanlage nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Flächenverhältnisse der ersten, zweiten
und dritten Wirkflächen (A1-A3) wie folgt gewählt sind:
A1 = 4 A3A1 = 2 A2.
6. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) des Hydrozy
linders (1) als tassenförmiger Differentialkolben (2)
ausgeführt ist und daß die erste Wirkfläche (A1) durch
die Kolbenrückseite (6), die dritte Wirkfläche (A3)
durch eine innere Stirnfläche einer Sacklochbohrung (4)
des Differentialkolbens (2) und die zweite Wirkfläche
(A2) durch die Ringfläche (26) der stufenförmigen Er
weiterung des Differentialkolbens (2) gebildet sind.
7. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (42) ein
Drucksensor (54) vorgesehen ist, dessen Signal als Ein
gangssignal für das Steuergerät (52) verwendet wird.
8. Hydroanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (52) hydrau
lisch oder elektrisch wirkend ausgebildet ist.
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