DE19639772C1 - Load-Sensing-Hydraulikkreis einer mobilhydraulischen Bau- und Arbeitsmaschine - Google Patents

Load-Sensing-Hydraulikkreis einer mobilhydraulischen Bau- und Arbeitsmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum lastdruckabhängi­ gen selbsttätigen Öffnen und Schließen eines Steuer- und Regelelemente beinhaltenden Closed-Center-Load-Sensing-Hydrau­ likkreises für mobilhydraulische Bau- und Arbeitsmaschinen.
Die heute bei Klein- und Standard-Baggern zum Einsatz gelan­ genden Hydrauliksysteme kann man in Open-Center und Closed-Center-Hydrauliksysteme unterteilen.
Die Grundschaltung eines Open-Center-Hydraulikkreises besteht aus einer Verstell- oder Konstantpumpe in Verbindung mit einem 6/3- oder 8/3-Wegeventil mit Neutralumlauf. Der Begriff Open- Center leitet sich aus dem freien Umlauf des Pumpenvolumen­ stromes in der Neutralstellung der Wegeventile ab.
Druckgeregelte Load-Sensing-Systeme mit Primär- bzw. Sekundär­ druckwaagen werden jedoch häufig als Closed-Center-Hydraulik­ systeme ausgeführt, wobei die Wegeventile eine geschlossene Neutralstellung ohne freien Pumpenumlauf aufweisen. Closed-Center-Hydraulikkreisumläufe beinhalten jedoch den Nachteil, daß der zur Hydraulikölkühlung eingesetzte Rücklaufvolumen­ strom im Stand-by-Betrieb der Bau- und Arbeitsmaschine nicht zur Verfügung steht, da die druckgeregelte Verstellpumpe des Closed-Center-Load-Sensing-Systems im Stand-by-Betrieb ledig­ lich die Leckageverluste zur Aufrechterhaltung der Regeldruck­ differenz deckt.
Da vor allem Klein- und Standardbagger eine überwiegend dis­ kontinuierliche Arbeitsweise mit nicht zu vernachlässigenden Stand-by-Phasen aufweisen, ist die Aufrechterhaltung der Hy­ draulikölkühlung während dieser Zeiträume wünschenswert, da durch die Durchströmung des Schieber- und Pumpensystems eine gleichmäßige Erwärmung der Hydraulikkomponenten gewährleistet ist. Darüber hinaus kann die installierte Hydraulikölleistung durch einen kontinuierlichen Kühlprozeß, bei dem der Rücklauf­ volumenstrom auch während der Stand-by-Phasen ansteht, verrin­ gert werden, was sich letztendlich in einer Reduzierung des Kosten- und Bauvolumens der verwendeten Hydraulikölkühler be­ merkbar macht.
Aus DE 38 21 348 A1 ist eine hydraulische Schaltanordnung mit einer Pumpe bekannt, an die wenigstens ein Verbraucher über ein Wegeventil in einer Förderdruckleitung angeschlossen ist, wobei vor dem Wegeventil in der Förderdruckleitung eine Druck­ waage angeordnet ist, die in einer bestimmten Schaltstellung die Förderdruckleitung mit einer Ablaßleitung verbindet. Pa­ rallel zur Druckwaage ist ein als Druckwaage ausgebildetes Sperrventil angeordnet und zwischen der Druckwaage und dem Sperrventil befindet sich eine Drossel, wobei das Sperrventil eine die Förderdruckleitung und die Ablaßleitung verbindende Schaltstellung aufweist und Stellflächen des Sperrventiles vom Förderdruck vor und nach der Drosselung beaufschlagt sind. Mit einer solchen Schaltanordnung soll ein lastfreies Hochlaufen des Arbeitsmotors bei Betätigung der Arbeitshydraulik gewähr­ leistet sein. Die vorstehend erwähnten Probleme im Stand-by-Betrieb bei Closed-Center-Hydrauliksystemen sind in dieser Druckschrift nicht angesprochen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei Closed-Center Load-Sen­ sing-Systemen gegebenen Nachteile durch Optimierung des Steuer- und Regelungssystems zu beseitigen.
Dieses Ziel wird erreicht durch eine Einrichtung zum lastdruckabhängigen selbsttätigen Öffnen und Schließen eines Steuer- und/oder Regelelemente beinhaltenden Closed-Center Load- Sensing-Hydraulikkreises für mobil-hydraulische Bau- und Arbeitsmaschinen mit mindestens einer über einen zugehörigen Druckregler ansteuerbaren Verstellpumpe, wobei die das Öffnen bzw. das Schließen des Hydraulikkreises herbeiführenden Signale aus dem im Hydraulikkreis anliegenden Pumpen und Load-Sensing-Lastdruck abgeleitet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.
Der Erfindungsgegenstand bezieht sich auf eine Einrichtung, die aus einem selbstschaltenden, vorzugsweise in den Steuerblock integrierten Load-Sensing-Bypassventil besteht, das in Ab­ hängigkeit vom anliegenden Load-Sensing-Last- und vom Pumpendruck die Verbindung vom Pumpenkanal zum Tankkanal über eine definierte Drossel öffnet. Die während der belastungs­ freien Phasen im Stand-By-Betrieb von der Verstellpumpe erzeugte Regeldruckdifferenz fällt bei geöffnetem Bypassventil über die gerätespezifisch vorgewählte Drossel ab, wodurch sich ein definierter, zur Kühlung des Hydraulikmediums zur Verfügung stehender Volumenstrom im Tankkanal des Steuerschiebers und damit in der Rücklaufleitung vom Steuerschieber zum Hydraulikölkühler einstellt.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Steuerungsprinzip eines Closed-Center Load-Sensing-Steuerblockes
Fig. 2 Teildarstellung des im Steuerblock gemäß Fig. 1 integrierten Load-Sensing- Bypassventils
Fig. 3 Flächenverhältnis der Wirkflächen des im Bypassventil gemäß Fig. 2 beinhalte­ ten Stellkolbens.
Fig. 1 beinhaltet ein Steuerungsprinzip, bei dem eine druckgeregelte Load-Sensing- Verstellpumpe 1 einen Closed-Center Load-Sensing-Steuerblock 2 mit sechs lastdruckkom­ pensierten Sektionen 3, 4, 5, 6, 7, 8 und Sekundärwaagen 9, 10, 11, 12, 13, 14 mit Hydrauliköl ver­ sorgt. Der Erfindungsgegenstand bezieht sich auf eine Einrichtung, die aus einem selbstschal­ tenden, in den Steuerblock 2 integrierten Load-Sensing Bypassventil 15 besteht, das in Ab­ hängigkeit vom anliegenden Load-Sensing-Lastdruck pLS in der Leitung 16 bzw. 17 und vom Pumpendruck pP in der Leitung 18 bzw. 19 die Verbindung vom Pumpenkanal (Leitung 19) zum Tankkanal 20 über eine definierte Drossel 21 öffnet. Die während der belastungsfreien Phasen im Stand-By-Betrieb von der Pumpe 1 erzeugte Regeldruckdifferenz ΔpLS fällt bei geöffnetem Bypassventil 15 über die gerätespezifisch vorgewählte Drossel 21 ab, wodurch sich ein defi­ nierter, zur Kühlung des Hydraulikmediums zur Verfügung stehender Volumenstrom im Tank­ kanal 20 bzw. 22 des Steuerschiebers 2 und damit in der Rücklaufleitung 23 vom Steuerschie­ ber 2 zum Hydraulikölkühler 24 einstellt. Die Verstellpumpe 1 ist mit einem Druckregler 25 ausgerüstet. Über die Lastmeldeleitung 26 wird das Lastdrucksignal pLS dem Druckregler 25 der Verstellpumpe 1 mitgeteilt, die daraufhin mit einem gegenüber dem Lastdrucksignal pLS um die Regeldruckdifferenz ΔpLS höherem Ausgangsdrucksignal pP in der Pumpenleitung 18 reagiert.
Fig. 2 zeigt einen Teilbereich des Load-Sensing Bypassventils 15 samt Drosselstelle 21. Das Load-Sensing Bypassventil 15 beinhaltet einen Schaltkolben 27, der eine kegelförmige Sitzflä­ che 28 aufweist. Ferner erkennbar ist der Tankkanal 20. Im Bereich des Schaltkolbens 27 ist eine Feder 29 vorgesehen. Der Schaltkolben 27 beinhaltet 2 Wirkflächen, nämlich A₁ und A₂. Im Bereich der Drossel 21 wirkt der Pumpendruck pP auf die Wirkfläche A₂ ein, während auf die Wirkfläche A₁ der Load-Sensing-Lastdruck pLS in Verbindung mit der Wirkkraft der Feder 29 einwirkt.
Im folgenden werden zwei Schaltphasen des Load-Sensing Bypassventils 15 beschrieben:
1. Automatisches selbsttätiges Schließen des Load-Sensing Bypassventils 15 bei Betätigung einer Schiebersektion (z. B. 3)
Durch die Betätigung einer oder mehrerer der sechs in Fig. 1 dargestellten Schiebersek­ tionen 3, 4, 5, 6, 7, 8 wird ein dem jeweils höchsten Lastdrucksignal pLS = pLmax entsprechen­ des Drucksignal im Load-Sensing Meldekanal 16 des Steuerschiebers 2 wirksam. Über die Lastmeldeleitung 26 wird das Lastdrucksignal pLS dem Druckregler 25 der Verstellpumpe 1 mitgeteilt, die daraufhin mit einem gegenüber dem Lastdmcksignal pLS um die Regel­ druckdifferenz ΔpLS höherem Ausgangsdrucksignal pP in der Pumpenleitung 18 reagiert.
Über die Druckkanäle 17 und 19 stehen die Drucksignale pLS und pP an den Wirkflächen A₁ und A₂ des Schaltkolbens 27 des Load-Sensing Bypassventils 15 an. Der Tankstau­ druck pT besitzt über die Wirkfläche AT = A₁-A₂ ebenfalls einen Einfluß auf die Schaltei­ genschaften des Load-Sensing Bypassventils 15 bzw. dessen Schaltkolbens 27.
Mit den Randbedingungen beim Schließen des Bypassventils 15 bzw. des Schaltkolbens 27
pP = pLmax + ΔpLS (1)
pLS = pLmax (2)
erhält man folgende Beziehung zur Bestimmung der für den selbsttätigen Schließvorgang minimal erforderlichen Wirkfläche A1min am Kegelsitz 28 des Schaltkolbens 27
Mit Gleichung (3) läßt sich unter Berücksichtigung der am Kegelsitz 28 des Schaltkolbens 27 wirkenden Strömungskräfte Fstr für eine vorgegebene Wirkfläche A₂ mit der Regel­ druckdifferenz ΔpLS, dem Tankdruck pTF sowie dem Federäquivalenzdruck pF der Feder 29 die für das selbsttätige Schließen des Load-Sensing Bypassventils 15 erforderliche Wirkfläche A1min als Funktion des gewünschten Schließdruckes beschreiben.
Überschreitet der Lastdruck pL bzw. der sich daraus ergebende Pumpendruck pP für ein vorgewähltes A₁ den sogenannten Schließdruck, dann wird das Load-Sensing Bypass­ ventil 15 bzw. dessen Schaltkolben 27 selbsttätig durch die auf den entsprechenden Wirkflächen A₁ und A₂ anstehenden Drucksignale pLS, pP, pT und pF geschlossen. Es ent­ weicht somit während der Arbeitsphasen kein ungewollter Volumenstrom über das Load- Sensing Bypassventil 15, wodurch der gesamte Pumpenvolumenstrom dem jeweils betä­ tigten Verbraucher als Nutzvolumenstrom zufließt.
2. Automatisches selbsttätiges Öffnen des Load-Sensing Bypassventils 15 im Stand-By- Betrieb
Im Stand-By-Betrieb, der sich dadurch auszeichnet, daß keine der sechs in Fig. 1 darge­ stellten Schiebersektionen 3, 4, 5, 6, 7, 8 betätigt wird, fällt das in der Lastmeldeleitung 26 anstehende Drucksignal pLS bis auf Tankdruckniveau pT ab. Der Pumpendruck pP in der Leitung 18 sinkt dadurch ebenfalls auf das um ΔpLS über den Eingangsdruck der Lastmeldeleitung 26 liegende Niveau ab. Wenn der Lastdruck pL in der Leitung 17 und damit auch der Pumpendruck pP in der Leitung 19 das durch den Schaltdruck definierte Niveau unterschreiten, öffnet das Bypassventil 15 bzw. der Schaltkolben 27 die Verbin­ dung vom Pumpenkanal 18 über die Drossel 21, wodurch sich in den lastfreien Phasen ein definierter Volumenstrom in der Rücklaufleitung 23 und damit im Hydraulikölkühler 24 einstellt. Damit die selbsttätige Öffnungsfunktion des Bypassventils 15 bei Druckabfall in der Lastmeldeleitung 17 bzw. in der Pumpenleitung 19 gewährleistet ist, darf die Feder­ kraft der Feder 29 und somit bei vorgegebenem Federäquivalenzdruck pF die Wirkfläche A₁ eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Dieser im folgenden mit A1max bezeichnete Maximalwert für die Wirkfläche A₁ wird mit Hilfe der nachstehenden Gleichung aus der Regeldruckdifferenz ΔpLS der Wirkfläche A₂, der Strömungskraft Fstr sowie dem Fede­ räquivalenzdruck pF berechnet.
In Fig. 3 ist der Verlauf der minimalen Wirkfläche A1min als Funktion des Last- bzw. Schließ­ druckes pL für vorgegebene Parameter pF, pT und A₂ dargestellt. Zum Einsatz gelangt hier die bereits definierte Formel (3). Überschreitet der Lastdruck pL bzw. der sich hieraus ergebende Pumpendruck pP für ein vorgewähltes A₁ den sogenannten Schließdruck, dann wird das Load- Sensing Bypassventil 15 selbsttätig durch die auf den entsprechenden Wirkflächen A₁ und A₂ anstehenden Drucksignale pLS, pP, pT und pF geschlossen.
In Fig. 3 ist ebenfalls der Verlauf des Maximalwertes A1max für die Wirkfläche A₁ angegeben. Für das selbsttätige Öffnen des Bypassventils 15 gilt voraussetzungsgemäß die Randbedin­ gung pL = 0, wodurch sich in Fig. 3 für die A1max-Kurve eine Geradengleichung mit der Stei­ gung 0 ergibt. Liegen für die konstruktiv vorgegebenen Parameter AT, A₂, pF, pT und ΔpLS die Graphen für A1min bzw. A1max entsprechend Fig. 3 fest, so ist es möglich, für einen gewünsch­ ten Öffnungs- bzw. Schließdruck des Bypassventils 15 die Fläche A₁ aus dem zulässigen Be­ reich zwischen den Graphen für A1min bzw. A1max zu bestimmen, bei dem sowohl das selbsttäti­ ge Öffnen als auch das selbsttätige Schließen des Bypassventils 15 erreicht wird.

Claims (11)

1. Einrichtung zum lastdruckabhängigen selbsttätigen Öffnen und Schließen eines Steuer- und Regelelemente (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) beinhaltenden Closed-Center Load- Sensing-Hydraulikkreises (2) für mobil-hydraulische Bau- und Arbeitsmaschinen mit mindestens einer über einen zuge­ hörigen Druckregler (25) ansteuerbaren Verstellpumpe (1), wobei die das Öffnen bzw. das Schließen des Hydraulikkrei­ ses (2) herbeiführenden Signale aus dem im Hydraulikkreis (2) anliegenden Pumpen- (pP) und Load-Sensing-Lastdruck (pLS) ableitbar sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit mindestens einem Load- Sensing Bypassventil (15), dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkolben (27) des insbesondere als 2/2-Wegeventil ausgebildeten Load-Sensing Bypassventils (15) einen Kegelsitz (28) aufweist, der den Pumpenkanal (19) gegenüber dem Tank­ kanal (20) schaltbar absperrt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die geöffnete Sitzfläche (A₂) des Kegelbereiches (28) der Drosselquerschnitt einer nachgeschalteten Düse (21) ge­ bildet wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkolben (27) mit mehreren Wirkflächen (A₁, A₂) ver­ sehen ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Load-Sensing Bypassventil (15) unmittelbar in einen Load-Sensing-Steuerschieber (2) integriert ist, wobei die Ver­ bindung vom Pumpen- (19) zum Tankkanal (20) in lastfreien Pha­ sen über die Düse (21) selbsttätig geöffnet und bei Lastdruck­ anstieg in der Load-Sensing-Meldeleitung (26) über diese selbsttätig geschlossen wird.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Stand-by-Betrieb über das Load-Sensing Bypassventil (15) fließende Volumenstrom durch den Drosselquerschnitt der Düse (21) sowie die Load-Sensing-Regeldruckdifferenz (ΔpLS) beeinflußbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkfläche (A₁), auf die der Lastdruck (pLS) und der Federäquivalenzdruck (pF) einwirken, größer als die vom Pumpen­ druck (pP) beaufschlagbare Wirkfläche (A₂) ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der für den selbsttätigen Schließvorgang des Load-Sensing-Bypassventils (15) minimal erforderlichen Wirkfläche (A1min) am Schaltkolben (27) folgende Beziehung gilt: worin
pL = Lastdruck
ΔpLS = Regeldruckdifferenz
pT = Tankdruck
A₂ = Wirkfläche am Schaltkolben
Fstr = Strömungskraft
pF = Federäquivalenzdruck.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Beziehung folgende Randbedingungen zugrundelegbar sind:
  • (1. ) pP = pLmax X ΔpLS
  • (2.) pLS = pLmax
worin
pLmax = maximaler Lastdruck
pP = Pumpendruck.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der für den selbsttätigen Öffnungsvorgang des Load-Sensing Bypassventils (15) maximal erforderlichen Wirkfläche (A1max) am Schaltkolben (27) folgende Beziehung gilt: worin
ΔpLS = Regeldruckdifferenz
A₂= Wirkfläche am Schaltkolben
Fstr = Strömungskraft
pF = Federäquivalenzdruck.
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