DE3130659A1

DE3130659A1 - Steuereinrichtung zum steuern der bewegungsgeschwindigkeit eines kolbens

Info

Publication number: DE3130659A1
Application number: DE19813130659
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Backé; Hubertus Dipl.-Ing. 5100 Aachen Murrenhoff; Franz Dipl.-Ing. 5020 Frechen Weingarten
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1981-08-03
Filing date: 1981-08-03
Publication date: 1983-02-17
Also published as: US4545201A

Description

15Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Steuern der Bewegungsgeschwindigkeit eines Verbrauchers hydrostatischer Energie, bei dem das Verhältnis zwischen zugeführtem Druck und Kraft (bzw. bei rotierender Bewegung:

■ Drehmoment) auf der Abtriebsseite konstant ist, beispiels-

2oweise eines Kolben-Konstantmotors oder insbesondere eines Kolbens, vorzugsweise eines in einem an eine Drucknetzleitung mit praktisch nicht begrenztem Strom und möglichst konstant gehaltenem Druck angeschlossenen Zylinder verschiebbaren Kolbens oder eines Schwenkkolbens, der in einem ent-

25sprechenden zylinderscheibensektorförmigen Druckraum versehwenkbar ist.

Bei einem bekannten System zur Steuerung von an eine Drucknetzleitung angeschlossenen Verbrauchern hydrostatischer

SOEnergie wird ein "zur Bewegungsgeschwindigkeit proportionaler Steuerstrom erzeugt und wird ein zweiter willkürlich gesteuerter Steuerstrom erzeugt und wird der Differenzwert zwischen beiden Steuerströmen auf das Stellorgan des einstellbaren Verbrauchers hydrostatischer Energie gegeben.

3sWenn der Verbraucher ein Hydrokonstantmotor mit drehender

Welle ist oder ein Kolben-Zylinder-System ist, wird mit dem Steuersignal eine einstellbare Drosselstelle betätigt. Zur Erzeugung des ersten Steuerstromes wird im Falle,, daß der Verbraucher ein Zylinder-Kolben-System ist, neben dem Zylinder ein zweiter Zylinder angeordnet, in dem ein mit dem Zylinder des Verbrauchers hydrostatischer Energie zu gemeinsamer Bewegung zwangsläufig gekuppelter Steuerstrom-Erzeuger-Kolben verschiebbar ist (DE-OS 27 39 968). Ist der Verbraucher ein bezüglich des Hubvolumens pro Umdrehung einstellbarer Hydromotor, so wird durch Verändern *-. des Hubvolumens pro Umdrehung das Verhältnis zwischen Druck V^ in der Zufuhrleitung und Drehmoment an der Abtriebswelle geändert und kann dadurch durch Einstellen des Hubvolumens pro Umdrehung das Drehmoment an der Abtriebswelle auf das vom Verbraucher mechanischer Energie aufgenommene Drehmoment eingestellt werden. Bei einem in einem Zylinder verschiebbaren Kolben kann das Verhältnis zwischen Kolbenkraft und Druck nicht geändert werden. Zum Steuern der Bewegungsgeschwindigkeit eines in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens war deshalb bisher nur bekannt, den Druck und Strom des dem Zylinder zufließenden Arbeitsmediums durch Drosseln zu beeinflussen. Drosseln bedeutet aber Energieverlust und darüberhinaus Erhitzung des flüssigen Arbeitsmediums, welehe zur Folge hat, das aufwendige Maßnahmen zur Abführung der Wärme ergriffen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegungsgeschwindigkeit eines in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens mit möglichst geringem Energieverlust unter Vermeiden einer Drosselstelle zu steuern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Beide Verdrängermaschinen können als Pumpe oder Motor wirken. Der dem Zylinder zufließende Strom muß also durch die erste Verdrängerma-

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schine fließen, wobei in dieser, ebenso wie an einer Drosselstelle, ein Druckgefälle entsteht, welches abhängig ist von dem Drehmoment an der Welle dieser ersten Verdrängermaschine. Dieses Drehmoment an der ersten Verdrängermaschine kann aber willkürlich eingestellt werden durch die Drehmomentaufnahme der zweiten, einstellbaren Verdrängermaschine. Während also an einer Drosselstelle die Energie in nicht nutzbare, sondern im Gegenteil für die Abführung Aufwand erfordernde Wärme* umgesetzt wird, wird hier die der

¹^ Druckdifferenz entsprechende Energie an der Welle der £h . zweiten Verdrängereinheit zugeführt und hier wieder in hydraulische Energie umgesetzt, die der Drucknetzleitung zugeführt wird. Zwei Verdrängungsmaschinen, von denen eine einstellbar ist, miteinander zu kuppeln, ist für Stromteiler bekannt (DE-OS 14 98 382 - DE-PS 12 84 244). Die Anwendung einer solchen Einrichtung zur Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit eines Kolbens in einem hydrostatischen System mit eingeprägtem Druck, wobei die Einstellung der einstellbaren Verdrängermaschine drehzahlabhängig geregelt wird,

²^ ist jedoch eine neue, nicht naheliegende Lösung. In der ersten Verdrängermaschine wird somit der Energiestrom aufgespalten in einen Teil, der dem Zylinder zufließt, und einen zweiten Teil, der über die zweite Verdrängereinheit wieder ν* in die Drucknetzleitung zurückfließt. Dem dem Zylinder zufließenden Druckmittelstrom wird somit in der ersten Verdrängereinheit ein Teil der Energie entzogen und wieder der Drucknetζleitung zugeführt und zwar auf dem Umweg über die Umformung in mechanische Energie und Rückumformung in hydraulische Energie. Außer durch die Wirkungsgrade der ersten und zweiten Verdrängermaschine und die Strömungsverluste in den Leitungen treten dabei im Gegensatz zu einer Drosselstelle keine Energieverluste auf.

Das System gemäß der Erfindung ist auch anwendbar für Kolben-Zylinder-Systeme, bei denen der Kolben unabhängig

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von der Bewegungsrichtung jeweils in der gleichen Richtung belastet ist, beispielsweise das Kolben-Zylinder-System einer Hebebühne, bei der auf dem Kolben auch beim Absenken zumindest das Eigengewicht der Bühne ruht. In diesem Fall S muß beim Absenken mit gesteuerter Geschwindigkeit gebremst werden und es ist zu diesem Zweck erforderlich, daß die erste Verdrängermaschine in diesem Zustand in einem anderen Drehsinn läuft wie beim Heben der Bühne. Das macht erforderlich, daß die zweite Verdrängermaschine über eine Neutrallage hinaus in die Gegenrichtung ausschwenkbar ist, so daß die jetzt im anderen Drehsinn laufende erste Verdrängerma- ^- schine trotzdem die zweite Verdrängermaschine derart antreibt, daß diese als Pumpe, die von der ersten Verdrängermaschine angetrieben wird, in die Drucknetzleitung zurück fördert.

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Ist es möglich, daß auf die Kolbenstange des Kolben-Zylinder-Systems bei einer bestimmten Bewegungsrichtung wahlweise in jeder der beiden möglichen Richtungen eine Last einwirkt, und soll es möglich sein, diese zu bremsen, muß in der ersten Verdrängermaschine ein Druckgefälle erzeugt werden, das größer ist, als das Druckgefälle zwischen der Drucknetzleitung und dem Behälter, aus demjäie zweite Verdrängereinheit ansaugt. In jedem solchen Falle, in dem über die erste ^, ou müssen

(T Verdränge reinheit gebremst wird/für die Steuer- und Regeleinrichtung entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen vorgesehen sein und muß das Hubvolumen pro Umdrehung der zweiten Verdrängereinheit größer sein als das der ersten, da beide an die gleiche Drucknetζleitung angeschlossen sind, also auf einer Seite vom gleichen Druck beaufschlagt werden, der Energiedurchsatz an der zweiten Verdrängereinheit jedoch größer ist als an der ersten.

An die Welle der ersten Verdrängereinheit bzw. an die gemeinsame Welle beider Verdrängereinheiten kann ein ein Drehmoment aufnehmender oder abgebender Verbraucher angeschlossen sein,

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dessen Drehzahl dann stets proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens in dem Zylinder ist. In den Unteransprüchen sind zweckmäßige Weiterausgestaltungen angegeben.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf Anordnungen, bei denen anstelle des beschriebenen Kolben-Zylinder-Systems ein anderer hydraulisch-mechanischer Energieumsetzer vorgesehen ist, sofern bei diesem das Verhältnis von Druck der zugeführten Flüssigkeit zu Kraft bzw. Drehmoment auf eier mechanischen Seite konstant ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes als Schaltschema der Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt.

Die Drucknetzleitung 1 wird von einer in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Pumpe mit Druck versorgt, der auf einem möglichst konstanten hohen Wert gehalten wird. Die Leitung 2 führt zu einem drucklosen Behälter. Der Kolben J> ist in dem Zylinder 4 verschiebbar, die mit dem Kolben 3 verbundene Kolbenstange 5 dient zum Bewegen eines Verbrauchers mechanischer Energie. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens ν in dem Zylinder 4 soll unabhängig von den an der Kolbenstange 5 wirkenden Kräften konstant auf dem Wert bleiben, der durch ein eingegebenes Steuersignal vorgewählt wird.

Von der Leitung 1 führt eine Zweigleitung 6 zu dem Hydrokonstantmotor 7, an dessen Ausgang eine Leitung 8 angeschlossen ist, die über ein willkürlich betätigbares Dreistellung/ Vieranschlußventil ("Drei/Vier-Wegeventll") 9 zu den beiden Leitungen 10 und 11 führt, von denen die Leitung 10 an den Druckraum 12 des Zylinders 4 und die Leitung 11 an den Druckraum 13 des Zylinders 4 angeschlossen ist. An den vierten

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Anschluß des Dreistellungs/Vieranschlußventiles 9 ist die Leitung 14 angeschlossen, die andererseits an die Leitung 2 angeschlossen ist.

Die Welle 15 des Hydromotors 7 ist mit der Welle 16 einer bezüglich des Hubvolumens pro Umdrehung einstellbaren Pumpe 17 verbunden, die einerseits über die Leitung 18 an die Drucknetzleitung 1 und andererseits mittels der Leitung 19

an die Leitung 2 angeschlossen ist. 10

Der Hydromotor 7 ist mit einem freien Wellenende 20 versehen, an das ein Verbraucher 21 für mechanische Energie angeschlossen werden kann.

An die Welle 16 der Pumpe 17 ist weiterhin eine Steuerhilfspumpe ("Meßpumpe") 22 angeschlossen, an deren Sauganschluß eine Leitung 23 angeschlossen ist, die andererseits an die Leitung 2 angeschlossen ist. In der Förderleitung 24 der Steuerhilfspumpe 22 ist eine willkürlich einstellbare Drosselstelle ("Meßwiderstand") 25 und ein hydraulisch betätigbares Zweistellung/Zweianschlußventil 26 angeschlossen, dessen Steuerdruckraum über eine Steuerleitung 27 an die Drucknetζleitung 1 angeschlossen ist. Die Förderleitung 24 ist andererseits wiederum an die Leitung 2 angeschlossen, so daß ein geschlossener Kreislauf 2, 23, 22, 24, 2 gegeben ist.

An die Förderleitung 24 der Steuerhilfspumpe 22 ist zwischen dieser und der Drosselstelle 25 eine Zweigleitung 28 angeschlossen, die zu einem Druckraum 29 eines hydraulisch gesteuerten Dreistellung/Dreianschlußregelventiles 30 führt, von dem ein Anschluß über die Leitungen 31 und 32 an die Drucknetζleitung 1 angeschlossen ist und ein zweiter Anschluß über die Leitung 33 an die Leitung 2 angeschlossen ist, während der dritte Anschluß über die Leitung 3^- an den Druck-Form. 5729 7.78

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raum 35 eines Stellzylinders J>6 angeschlossen ist, in dem ein Stellkolben 37 gegen die Kraft einer Feder 38 verschiebbar ist. Die Kolbenstange 39 des Stellkolbens 37 ist mit dem Stellglied 40 der einstellbaren Pumpe 17 verbunden.

In dem Regelventil 30 ist ein Schieber 41 verschiebbar, dessen eine Stirnfläche von dem Druck in dem Raum 29 beaufschlagt ist, während die andere Stirnfläche gegen eine Feder 42 in einem Druckraum 43 abgestützt ist, wobei die Feder 42 gegen einen Federteller 44 abgestützt ist, der mittels eines Gewindezapfens 45 willkürlich zur Einstellung der Vorspannung der Feder 42 eingestellt werden kann.

In der in der Zeichnung dargestellten Lage befindet sich 15dem Schieber 41 in seiner Neutrallage,in der sein mittleres Schieberkolbenteil mit negativer Überdeckung vor der Nut 46 liegt, an die die Leitung 34 angeschlossen ist.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel 20ist der Druckraum 44 mittels der Leitung 47,die an die Leitung 2 angeschlossen ist, entlastet. Es ist aber auch eine andere Ausführung möglich, in der die Leitung 47 an eine andere Leitung angeschlossen ist, durch die Willkürlieh ein Steuerdrucksignal auf den Druckraum 44 gegeben 25werden kann. Beispielsweise kann die Leitung 47 bei einer anderen Ausgestaltungsform an. die Leitung 48 zwischen einer Drosselstelle 49 und einem willkürlich betätigbaren Druckregelventil 50 angeschlossen sein.

30Die Wirkungsweise ist folgende: Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 3 in dem Zylinder 4 ist bestimmt durch den Strom, der durch die Leitung 8 im Zylinder 4 zufließt. Dieser Strom wird bestimmt durch die Drehzahl des Hydrokonstantmotors 7. Da dessen Welle 15 starr mit der Welle der einstellbaren Pumpe 17 gekuppelt ist, ist die

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Drehzahl des Hydromotors 7 durch die Drehzahl der Pumpe 17 bestimmt, die wiederum die Drehzahl der Steuerhilfspumpe 22 bestimmt, deren Förderstrom proportional zur Drehzahl der einstellbaren Pumpe 17 ist. In dem in der Förderleitung 24 geführten Förderstrom der Steuerhilfspumpe 22 staut sich vor der Drosselstelle 25 ein Druck auf, der proportional ist zu der Drehzahl der Steuerhilfspumpe 22 und damit der Drehzahl sowohl der einstellbaren Pumpe 17 als auch des Hydromotors 7. Dieser Staudruck ist

"^ also auch proportional zu dem Strom, der durch die Leitung 8 dem Zylinder 4 zufließt. Dieser Staudruck wirkt über die Leitung 28 auch im Druckraum 29 und in diesem auf die Stirnfläche des Schiebers 41 und verschiebt diesen gegen die Kraft der Feder 42 nach in der Zeichnung rechts (Ver-

¹^ schiebeweg χ ). Durch diese Verschiebung wird durch den mittleren Kolbenteil des Schiebers 4l die Verbindung zwischen der Leitung 34 und der Leitung 33 hergestellt und damit der Druckraum 35 entlastet mit der Folge, daß unter der Kraft der Feder 38 und des auf die Ringkolbenfläche wirkenden, durch die Leitung 32 übertragenen Druckes in der Drucknetζleitung 1 der Stellkolben 7 nach in der Zeichnung rechts verschoben (Verstellweg: y)/und damit das Stellglied 40 der einstellbaren Pumpe 17. Bewegt sich der Kolben 3 schneller als durch die Einste1-lung der Drosselstelle 25 vorgegeben, so überwiegt die durch den Staudruck im Druckraum 29 auf die Stirnfläche des Schiebers 41 erzeugte Kraft mLt der Folge, daß der Schieber in der eben beschriebenen Weise verschoben wird. Dadurch wird das Stellglied 40 der einstellbaren Pumpe 17 auf größeres Hubvolumen pro Umdrehung verstellt, so daß die Pumpe 17 eine größere Leistung aufnimmt und damit den Hydromotor 7 bremst und somit dessen Drehzahl und den durch die Leitung 8 fließenden Strom vermindert.

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Wird umgekehrt die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 3 bei konstant gehaltener Einstellung der Drosselstelle 25 kleiner, so sinkt der Staudruck vor dieser und damit der Druck im Druckraum 29 mit der Folge, daß der Schieber 41 unter der Wirkung der Feder 42 nach in der Zeichnung links verschoben wird und die Leitungen 31 und 34 miteinander verbindet, mit der Folge, daß auf die große Stirnfläche des Stellkolbens 37 der in der Drucknetzleitung 1 wirkende Druck wirkt mit der Folge, daß der Stellkolben 37 nach in der Zeichnung links verschoben wird und das ^ Stellglied 40 der einstellbaren Pumpe 17 auf kleineres Hubvolumen pro Umdrehung verstellt, mit der Folge, daß deren Leistungsaufnahme und damit die Bremswirkung auf den Hydromotor 7 kleiner wird.

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Die zum Vermindern des in der Leitung 8 fließenden Flüssigkeitsstromes dem in der Leitung 6 fließenden Energiestrom entnommene Teilenergiemenge wird also über den Hydromotor und die einstellbare Pumpe 17 und die Leitung 18 wieder der Drucknetzleitung 1 zugeführt.

Ist an den Wellenanschluß 20 ein Verbraucher mechanischer Energie ("Last") 21 angeschlossen, so ist dessen Bewegungs- ^ geschwindigkeit proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 3 und virkt die von diesem Verbraucher aufgenommene Teilenergie ebenso als Belastung der Welle des Hydrokonstantmotors 7 wie das durch die Welle 16 von der Pumpe 17 aufgenommene Drehmoment.

³⁰DIe dem Ventil 9 gegebene Einstellung bestimmt die Bewegungsrichtung bzw. Stillstand des Kolbens 3. Da bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bei der in der Zeichnung dargestellten Stellung des Ventils 9 der Hydromotor 7 an dem vollen Druckgefälle zwischen den Leitungen 1 und 2 liegt, kann es zweckmäßig sein, in einer anderen

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Ausgestaltungsform das Ventil 19 derart auszugestalten, daß in dessen Mittelstellung alle vier Anschlüsse abgesperrt sind.

Wird die Drucknetzleitung 1 drucklos, so schließt das Ventil 26 und ermöglicht so einen schnellen Aufbau von Druck in der Leitung 24 und damit in der Leitung 28 bei Wiederanlaufen. Ferner soll durch dieses Ventil 26 bewirkt werden, daß dann, wenn in der Drucknetzleitung 1 beispielsweise durch Entnahme eines zu hohen Volumenstroms der Druck absinkt, in das Regelsystem derart eingegriffen wird, daß der Drehzahlsollwert geändert wird und die Verdrängereinheit 17 auf kleines Hubvolumen pro Umdrehung eingestellt wird und zwar auch dann, wenn dabei die Drehzahl absinkt (Drehzahlabschneldung).

Durch ein in der Zeichnung nicht mehr dargestelltes Vorspannventil oder durch drucklosen Behälter in entsprechender Höhe ist dafür gesorgt, daß die Leitung 2 stets gefüllt ist.

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Claims

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

A 81/46

SA A 661

DP-St/As 8

Patentansprüche .

(1 ./Steuereinrichtung zum Steuern der Bewegungsgeschwindigkeit eines Verbrauchers hydrostatischer Energie, bei dem das Verhältnis zwischen zugeführtem Druck und Kraft auf der Abtriebsseite konstant ist, insbesondere eines in einem an eine Drucknetzleitung angeschlossenen Zylinder verschiebbaren Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Drucknetzleitung (1) und den Zylinder (Verbraucher) (4) eine erste hydrostatische Verdrängermaschine (7) geschaltet ist, die mit einer ' zweiten hydrostatischen Verdrängermaschine (17) wellenseitig gekuppelt ist, wobei die erste hydrostatische Verdrängermaschine (7) bezüglich ihres Verdrängungsvolumens pro Umdrehung nicht einstellbar ist und die zweite hydrostatische Verdrängermaschine (17) bezüglich ihres Verdrängungsvolumens pro Umdrehung einstellbar ist und einerseits ebenfalls an die Drucknetzleitung (I)» andererseits an einen niedrigeren Druck führenden Raum (2) angeschlossen ist, wobei das Einstellorgan (4o) dieser zweiten Verdrängermaschine (17) mit einer Drehzahlregeleinrichtung (22, 25, 24, 30, 36, 37) verbunden ist.

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12. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Welle (20) der ersten Verdrängermaschine (7) ein Verbraucher mechanischer Drehenergie (21) angeschlossen ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verdrängermaschine (17) über ihre Neutrallage in beide Förderrichtungen einstellbar ist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungs volume η pro Umdrehung der zweiten Verdrängermaschine (17) größer ist als das der ersten Verdrängermaschine (7).

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregeleinrichtung eine mit der Väle der zweiten Verdrängermaschine (17) gekuppelte Steuerhilf spumpe (22) aufweist, deren Verdrängungsvolumen pro Umdrehung konstant ist, und in die an die S'teuerhilfspumpe (22) angeschlossene Förderleitung (24) eine Drosselstelle (25) eingebaut ist und zwischen der Steuerhilfspumpe (22) und dieser Drosselstelle (25) eine Zweigleitung (28) abführt, die zu einem Druckraum (29) eines V. hydraulisch gesteuerten Regelventiles (30) führt, wel-

ches die Beaufschlagung eines Stellzylinders (36)

steuert, in dem ein mit dem Stellglied (4θ) der zweiten hydrostatischen Verdrängermaschine (17) verbundener Stellkolben (37) verschiebbar ist, wobei ferner die Drosselstelle (25) willkürlich einstellbar ist und/ . 30 oder auf das Regelventil (30) ein Steuersignal gebbar ist.

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