DE19952591B4

DE19952591B4 - Hydrauliksystem

Info

Publication number: DE19952591B4
Application number: DE1999152591
Authority: DE
Inventors: Daniel Dipl.-Ing. Dürr (FH); Oskar Dipl.-Ing. Hasel (FH); Ernst Dipl.-Ing. Kesenheimer (FH)
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2019-11-03
Also published as: WO2001033086A1; DE19952591A1

Abstract

Hydrauliksystem (1) zur Ansteuerung von beweglichen Hydraulikelementen (9), mit einer Hydraulikpumpe (3) und einem Hydraulikleitungen (6, 17) aufweisenden Verteilungssystem (5), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Position mindestens zweier als Hydraulikzylinder ausgebildeter Hydraulikelemente (9) ein als Durchflußmesser ausgebildeter Sensor (18) in einer für alle Hydraulikzylinder (9) gemeinsamen Hydraulikleitung (17) angeordnet ist.

Description

In bestimmten Fällen wird die Bewegung von beweglichen mechanischen Teilen mittels Hydrauliksystemen realisiert; insbesondere werden solche mechanischen Teile hydraulisch bewegt, für deren Bewegung eine hohe Betätigungskraft erforderlich ist (bsp. im Kfz-Bereich bei der Betätigung des Verdecks), für die nur ein geringes Einbauvolumen zur Verfügung steht bzw. die nur schwierig eingebaut werden können und für die Explosionsschutzmaßnahmen getroffen werden müssen.

Hydrauliksysteme bestehen aus einer Hydraulikpumpe zur Bereitstellung von Drücken und einer bestimmten Fördermenge an Hydraulikmedium (bsp. Wasser oder Öl), und einem Verteilungssystem aus mit dem Hydraulikmedium gefüllten Hydraulikleitungen, Verteilern und Hydraulikventilen zur gezielten Umleitung des Hydraulikmediums. An die Hydraulikleitungen sind bewegliche Hydraulikelemente angeschlossen (bsp. Hydraulikzylinder), die in der Regel aus einer beweglichen Komponente (bsp. einem Kolben), einer Buchse, einem als Kammer bezeichneten Volumen zwischen der beweglichen Komponente und der Buchse, einer Dichtung und einer Reibbremse bestehen. Zur Ansteuerung der Hydraulikelemente werden die Hydraulikventile mit elektrischen Signalen (Logiksignalen) beaufschlagt, wodurch die Druckverteilung geändert wird, so daß sich die beweglichen Komponenten der Hydraulikelemente in die gewünschte Richtung bewegen. Ein derartiges Hydrauliksystem ist bei eins der DE 695 15 040 T2 bekannt.

Oftmals werden die Hydraulikelemente differentiell angesteuert, d.h. ein Teilbereich der Hydraulikelemente wird ständig mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt; hierdurch wird eine Vorzugslage des Hydraulikelements festgelegt, so daß zur Ansteuerung des Hydraulikelements ein Logiksignal genügt.

Zur Steuerung und/oder Kontrolle der Bewegungsabläufe bei der Bewegung der beweglichen mechanischen Teile sollten die aktuellen Positionen der bewegten me chanischen Teile und daher auch die aktuellen Positionen der diese Bewegung verursachenden Hydraulikelemente bekannt sein. Zur Erfassung der aktuellen Position der Hydraulikelemente werden an die Hydraulikelemente (insbesondere an die be weglichen Komponenten der Hydraulikelemente) Sensoren angeordnet, die bsp. als Endschalter (diese werden beim Erreichen und/oder beim Überfahren einer bestimmten Position betätigt) oder als Wegaufnehmer (bsp. als kapazitiver, magnetischer oder magnetostriktiver Wegaufnehmer) ausgebildet sein können. Da die Sensoren an den Hydraulikelementen bzw. den beweglichen Komponenten der Hydraulikelemente angeordnet sind, muß zur Kenntnis der Position des bewegten mechanischen Teils mindestens ein Sensor für jedes Hydraulikelement und damit für das Hydrauliksystem eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen werden. Hiermit verbunden sind jedoch ein hoher Aufwand, hohe Kosten, ein hoher Platzbedarf (großer Bauraum) und eine hohe Störanfälligkeit (bsp. aufgrund der leichten Verschmutzung der Sensoren).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Hydrauliksystem mit vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Zuverlässigkeit, der Kosten und des Herstellungsaufwands anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Hydrauliksystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie auch durch ein hydrauliksystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgestellten Hydrauliksystem ist zum Erfassen der Position (und damit der Bewegung) von mehreren bewegten Hydraulikelementen ein in einer Hydraulikleitung des Hydrauliksystems angeordneter Sensor vorgesehen; dieser Sensor ist in einer solchen Hydraulikleitung angeordnet, in der bei jeder Betätigung eines beliebigen dem Sensor zugeordneten Hydraulikelements (d.h. bei einer Bewegung des Hydraulikelements in jeder der für dieses Hydraulikelement vorgesehenen Bewegungsrichtung) ein Durchfluß von Hydraulikmedium stattfindet. Der Sensor erfaßt die aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements hervorgerufene Änderung im Hydraulikmedium und liefert abhängig davon ein (vorzugsweise digitales) Ausgangs signal, aus dem von einer Steuereinheit (ggf. mit Kenntnis der von der Steuereinheit vorgegebenen Ansteuerrichtung für das Hydraulikelement) die Auslenkung und damit die Position des Hydraulikelements und damit ggf. auch des bewegten mechani- schen Teils ermittelt wird.

Als Sensor zum Erfassen der Position der diesem zugeordneten Hydraulikelemente kann bsp. ein Durchflußmesser oder ein Druckmesser eingesetzt werden:

– Bei einem Durchflußmesser (einer Turbine) als Sensor wird die sich. aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements ergebende Durchflußänderung an Hydraulikmedium im Hydrauliksystem und damit auch in der den Durchflußmesser enthaltenden Hydraulikleitung ermittelt und bei Kenntnis des Durchflusses (des durchgeflossenen Volumens) an Hydraulikmedium in dieser Hydraulikleitung die Geschwindigkeit des Hydraulikelements und hieraus durch Integration die Position des bewegten Hydraulikelements bestimmt. Hierbei muß entweder die Ansteuerrichtung für das Hydraulikelement bekannt sein oder der Durchflußmesser muß die Drehrichtung erkennen können. Um die Position mehrerer gleichzeitig angesteuerter Hydraulikelemente erfassen zu können, muß eine der gleichzeitig angesteuerten Hydraulikelemente entsprechende Anzahl an Durchflußmessern vorgesehen werden, d.h. jedem dieser gleichzeitig angesteuerten Hydraulikelemente ein Durchflußmesser zugeordnet werden; falls jedoch die Information über die Endlagen der Hydraulikelemente genügt (Endlagenerkennung), wird auch bei gleichzeitiger Ansteuerung mehrerer Hydraulikelemente nur ein einziger Durchflußmesser benötigt. Falls die Hydraulikelemente differentiell angesteuert werden, wird der Durchflußmesser vorzugsweise in der für das Anlegen des Versorgungsdrucks vorgesehenen gemeinsamen Hydraulikleitung angeordnet; falls die Hydraulikelemente nicht differentiell angesteuert werden, wird der Durchflußmesser vorzugsweise in der direkt von der Hydraulikpumpe wegführenden Hydraulikleitung angeordnet. Falls ein zusätzlicher Durchflußmesser in der zum Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium zurückführenden Hydraulikleitung angeordnet wird, kann darüber hinaus ein Verlust an Hydraulikmedium im Hydrauliksystem detektiert werden, d.h. es kann eine Leckageerkennung reali- siert werden.
– Bei einem Druckmesser als Sensor wird die sich aufgrund der Bewegung des Hydraulikelements ergebende Druckänderung im Hydrauliksystem bzw. in der den Druckmesser enthaltenden Hydraulikleitung ermittelt und durch Auswertung der sich aufgrund der Druckänderung in der Hydraulikleitung ergebenden Druckpulse die Position des bewegten Hydraulikelements bestimmt. Die Positionsbestimmung der bewegten Hydraulikelemente kann ebenfalls mittels Laufzeitmessungen von Reflexionssignalen bzw. Echosignalen durchgeführt werden. Hierzu wird durch ein geeignetes druckerzeugendes Element (Aktuator) in einer der Hydraulikleitungen (an einer beliebigen Stelle in der Druckseite des Hydrauliksystems) ein Sendepuls erzeugt (bsp. wird bei einem Druck von 200 bar in den Hydraulikleitungen eine Druckspitze von 10 bar erzeugt), der eine sich im Hydraulikmedium über alle Hydraulikleitungen mit einer vom Hydraulikmedium abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit (bsp. ca. 1000 m/s bei einem Hydrauliköl als Hydraulikmedium) ausbreitende akustische Welle generiert. Über eine Laufzeitmessung dieser akustischen Welle in den Hydraulikleitungen (d.h. durch Detektion des Echosignals als Zeitdifferenz zwischen Aussenden des Sendepulses und Eintreffen des Reflexionssignals) kann der Betätigungsweg und damit die Position der Hydraulikelemente erfaßt werden. Da Reflexionen jedoch außer an den beweglichen Flächen der Hydraulikelemente auch an vielen anderen Stellen des Hydrauliksystems auftreten (bsp. an Kanten, starken Biegungen und Enden der Hydraulikleitungen), muß eine Selektion der Reflexionssignale vorgenommen werden: hierzu wird in Abhängigkeit der bekannten Leitungslängen der Hydraulikleitungen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hydraulikmediums ein Zeitfenster definiert, in welchem das sich aufgrund der Bewegung der Hydraulikelemente ergebende Reflexionssignal erwartet wird. Die Sendepulse werden zyklisch ausgesendet (Periodendauer bsp. 10 ms), vorzugsweise im Ultraschallbereich, wobei die Pulsbreite durch die gewünschte Wegauflösung bei der Bewegung des Hydraulikelements vorgegeben wird (Pulsbreite bsp. 5 bis 10 μs). Durch Auswertung mehrerer aufeinanderfolgender Echosignale können zeitliche Mittelwerte gebildet und hierdurch stochastische Störungen unterdrückt sowie nicht-interessierende Reflexionen eliminiert werden. Vorteilhafterweise wird der als Druckmesser fungierende Sensor auch zur Erzeugung der Sendepulse eingesetzt, d.h. die Generierung der akustischen Wellen und die Detektion der Echosignale (Druckmessung) erfolgt mit dem gleichen Sensor; hierfür kann bsp. ein piezokeramischer Sensor (bsp. eine piezokeramische Scheibe) vorgesehen werden, der beim Anlegen eines Spannungspulses durch mechanische Verformung eine Druckspitze erzeugt und bei dem eintreffende Druckreflexionen zu einer Ladungstrennung führen, die mit Hilfe einer geeigneten Auswerteeinheit (bsp. mittels hochauflösenden A/D-Wandlern und digitalen Signalprozessoren) detektiert werden kann. Weiterhin kann zusätzlich eine Laufzeitmessung bei einer definiert abgeschlossenen Hydraulikleitung durchgeführt werden (bsp. in bestimmten zeitlichen Abständen) und diese als Referenzmessung zur Kalibrierung der sich aufgrund der Bewegung der Hydraulikelemente ergebenden Reflexionssignale herangezogen werden.

Beim vorgestellten Hydrauliksystem kann vorteilhafterweise die Position bzw. Bewegung mehrerer bewegter Hydraulikelemente mittels eines einzigen Sensors auf einfache Weise, mit geringen Kosten und geringem Platzbedarf, mit hoher Auflösung und aufgrund der digitalen Signalerzeugung bzw. Signalverarbeitung mit hoher Störunempfindlichkeit zuverlässig erfaßt werden.

Das System soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben werden.
Hierzu ist in der Figur ein Prinzipschaltbild eines Hydrauliksystems dargestellt.
Gemäß der Figur besteht das Hydrauliksystem 1 aus der von einem Elektromotor 2 angetriebenen Hydraulikpumpe 3 zur Bereitstellung von Drücken und einer bestimmten Fördermenge an Hydraulikmedium 4, aus einem Verteilungssystem 5 mit Hydraulikleitungen 6, in denen bsp. ein Hydrauliköl als Hydraulikmedium 4 transportiert wird, mit Verteilern 7 (Abzweigern) und mit Hydraulikventilen 8 zur gezielten Umleitung des Hydraulikmediums 4 und damit zur gezielten Ansteuerung mehrerer bsp. als Hydraulikzylinder ausgebildeter beweglicher Hydraulikelemente 9. Das Hydraulikmedium 4 ist in einem bsp. als Tank ausgebildeten Vorratsbehälter 15 auf bewahrt und wird vom Tank 15 über die Hydraulikpumpe 3 und die Hydraulikleitungen 17, 6 an die beweglichen Hydraulikelemente 9 transportiert und von den beweglichen Hydraulikelementen 9 über die Hydraulikleitungen 6 und die Rückleitung 16 wieder dem Tank 15 zugeführt. Die Hydraulikzylinder 9 bestehen bsp. aus einer beweglichen Komponente 10 (bsp. einem Kolben), einer Buchse 11, einer Anschlagdrossel, einer Dichtung 12 und einer Reibbremse. Die Hydraulikzylinder 9 werden differentiell angesteuert, indem ein Teilbereich 13 der Hydraulikzylinder 9 mit der kleineren wirksamen Fläche ständig an die als gemeinsame Versorgungsleitung ausgebildete Hydraulikleitung 17 angeschlossen ist und somit ständig mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt wird, wodurch die eingefahrene Position als Vorzugslage der Hydraulikzylinder 9 festgelegt wird. Zur Ansteuerung der Hydraulikzylinder 9 werden die Hydraulikventile 8 mit elektrischen Signalen (Logiksignalen) beaufschlagt, wodurch die Druckverteilung am Hydraulikzylinder 9 geändert wird (insbesondere die Druckverteilung zwischen dem Teilbereich 13 der Hydraulikzylinder 9 mit der kleineren wirksamen Fläche und dem Teilbereich 14 der Hydraulikzylinder 9 mit der größeren wirksamen Fläche) und der Hydraulikzylinder 9 somit in die gewünschte Richtung bewegt wird; insbesondere werden die Hydraulikzylinder 9 beim Beaufschlagen der Hydraulikventile 8 mit Steuersignalen aus der Vorzugslage ausgefahren und bei Wegnahme der Steuersignale wieder in die Vorzugslage eingefahren.
Für mehrere bewegliche Hydraulikzylinder 9 ist ein als Durchflußmesser ausgebildeter Sensor 18 vorgesehen, der in der gemeinsamen Versorgungsleitung 17 angeordnet ist. Bei einer Bewegung der Hydraulikzylinder 9 ändert sich die Druckverteilung im Hydrauliksystem 1 bzw. in den Hydraulikleitungen 17, 6, so daß der Durchflußmesser 18 durch das strömende Hydraulikmedium 4 in Rotation versetzt wird. Das Ausgangssignal des Durchflußmessers 18 (das Sensorsignal) wird bsp. durch eine Auswerteeinheit oder Steuereinheit ausgewertet und hieraus die Bewegung der Hydraulikzylinder 9 bestimmt. Bsp. kann der Durchflußmesser 18 aufgrund seiner Drehrichtung die Bewegungsrichtung des Hydraulikmediums 4 erfassen, woraus von der Auswerteeinheit oder Steuereinheit auch die Bewegungsrichtung der Hydraulikzylinder 9 bestimmt werden kann.
Beispielsweise ist zur Betätigung des Verdecks eines Kraftfahrzeugs ein Hydrauliksystem 1 mit 7 Hydraulikzylindern 9 zur Betätigung unterschiedlicher mechanisch beweglicher Teile (Heckdeckel, Kofferraumklappe, Kofferraum etc.), 7 Hydraulikventilen 8 (Magnetventilen) zur sukzessiven Ansteuerung der Hydraulikzylinder 9, eine als Kolbenpumpe ausgebildete Hydraulikpumpe 3 mit einem Maximaldruck von 350 bar und einem als Hydrauliköl ausgebildeten und in Hydraulikleitungen 6 fließenden Hydraulikmedium 4 vorgesehen. Die Hydraulikzylinder 9 besitzen im zweiten Teilbereich 14 einen Durchmesser von 2 cm und im ersten Teilbereich 14 einen Durchmesser von 1 cm sowie eine Länge von 30 cm. Die Hydraulikzylinder 9 besitzen ein Fassungsvermögen von 100 ml Hydrauliköl 4, wobei für alle Hydraulikzylinder 9 des Hydrauliksystems 1 insgesamt ca. 450 – 500 ml Hydrauliköl 4 vorgesehen ist. Zur Erfassung der Bewegung und der Bewegungsrichtung der Hydraulikzylinder 9 sind zwei Durchflußmesser als Sensoren 18 vorgesehen, wobei ein Durchflußmesser 18 in der gemeinsamen Versorgungsleitung 17 unmittelbar nach der Hydraulikpumpe 3 und ein Durchflußmesser 18 in der zum Vorratsbehälter 15 für das Hydrauliköl 4 führenden Rückleitung 16 angeordnet ist.

Claims

Hydrauliksystem (1) zur Ansteuerung von beweglichen Hydraulikelementen (9), mit einer Hydraulikpumpe (3) und einem Hydraulikleitungen (6, 17) aufweisenden Verteilungssystem (5), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Position mindestens zweier als Hydraulikzylinder ausgebildeter Hydraulikelemente (9) ein als Durchflußmesser ausgebildeter Sensor (18) in einer für alle Hydraulikzylinder (9) gemeinsamen Hydraulikleitung (17) angeordnet ist.
Hydrauliksystem (1) zur Ansteuerung von beweglichen Hydraulikelementen (9), mit einer Hydraulikpumpe (3) und einem Hydraulikleitungen (6, 17) aufweisenden Verteilungssystem (5), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Position mindestens zweier als Hydraulikzylinder ausgebildeter Hydraulikelemente (9) ein als Druckmesser ausgebildeter Sensor (18) in einer Hydraulikleitung (6) angeordnet ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hydraulikleitung (6) ein druckerzeugendes Element angeordnet ist, und daß der Druckmesser (18) die Reflexionssignale der vom druckerzeugenden Element generierten akustischen Wellen detektiert.
Hydrauliksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezo-keramisches Element gleichzeitig als druckerzeugendes Element und als Druckmesser (18) vorgesehen ist.
Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich (13) der Hydraulikelemente (9) über eine gemeinsame Hydraulikleitung (17) permanent mit dem durch die Hydraulikpumpe (3) bereitgestellten Versorgungsdruck beaufschlagt ist.