DE3343234A1 - Einrichtung zur hubwerksregelung - Google Patents

Description

R. 19081

25. 11.1983 My/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Einrichtung zur Hubwerksregelung Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Hubwerksregelung bei Schleppern, Mähdreschern und dergleichen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine solche Einrichtung aus der DE-OS 27 31 16U bekannt, bei welcher das druckbetätigte Wegeventil des hydraulischen Arbeitskreises mit seinen Steueranschlüssen in die Brückendiagonale eines als Vollbrücke ausgebildeten hydraulischen Steuerkreises geschaltet ist. Das über den brückenartigen Steuerkreis, in dem die Istwert- und Sollwertgeber liegen, abfließende Steueröl führt zu einer ständigen Verlustleistung. Um diese Verlustleistung möglichst klein zu halten, können die als Drosseln ausgebildeten Brückenwiderstände im Steuerkreis möglichst klein gehalten werden. Andererseits wird durch kleine Widerstände im Steuerkreis die Verstellgeschwindigkeit des Steuerschiebers im Wegeventil beeinträchtigt, so daß von Nachteil sein kann, daß bei einer hohen Regeldynamik der Einrichtung die Verlustleistung unerwünscht hohe Werte annimmt.

Ferner ist aus der DE-OS 29 ¹K) U03 eine Einrichtung zur Hubwerksregelung bei einem Schlepper "bekannt, bei der zur Erhöhung der Regelgenauigkeit mit minimalem Steuerdruck im hydraulischen Steuerkreis für rein hydraulische Signalverarbeitung die beiden Verstelldrosseln für Sollwert- und Istwertgeber hintereinander in denselben Brückenzweig geschaltet sind. Auch hierbei kann die Verlustleistung für die ständig fließenden Steuerölströme in unerwünschtem Maße groß werden.

Ferner ist aus der US-PS 3 3¹^O 897 eine hydraulische Einrichtung zur Fernsteuerung eines Wegeventils bekannt, bei der zwischen den Pilotventilen und dem Steuerschieber des Wegeventils im Arbeitskreis Verstärkerventile geschaltet sind. Bei dieser Einrichtung werden die Steuerglieder der Verstärkerventile über hydrostatische Gestänge angesteuert, so daß sich das Problem der Verlustleistung insofern nicht in dem Maße stellt. Andererseits sind die Steueranschlüsse des Wegeventils über im Steuers.chieber liegende Drosselstellen ständig zum Rücklauf entlastet, so daß insbesondere bei ausgelenktem Steuerschieber die Verlustleistung erhöhende Steuerölströme auftreten. Zudem sind die Steuerglieder der Verstärkerventile von Federn belastet und tragen zur Abdichtung reibungserhöhende Ringe, so daß sich diese

relativ aufwendige Bauweise kaum für eine Regeleinrichtung zur Hubwerksregelung bei Schleppern und dergleichen eignet. Vor allem führen die Federbelastung der Steuerglieder in den Verstärkerventilen, die O-Ringe und die aus fertigungstechnischen Gründen notwendige positive Überdeckung am Steuerglied zu Hysterese, die zu Instabilität der Einrichtung führen kann. Dies gilt vor allem dann, wenn das Steuerdruckgefälle zum Betätigen des Hauptsteuerschiebers sehr klein ist.

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Vorteile der Erfindung

Die erfindunsgemäße Einrichtung zur Hubwerksregelung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie bei relativ hoher Regeldynamik der Einrichtung die hydraulische Verlustleistung noch weiter verringert. Selbst bei kleiner Steuerleistung kann der Steuerschieber im Wegeventil noch mit hohen Verstellgeschwindigkeiten betätigt werden. Trotz Verwendung zusätzlicher Druckventile kann das Gesamtgewicht der Einrichtung relativ niedrig gehalten werden, was bei mobilen Anwendungsfällen vorteilhaft ist. Zudem baut die Einrichtung relativ einfach und kostengünstig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich. Besonders vorteilhaft sind Ausbildungen gemäß den Ansprüchen 2 und 3, wodurch die befriedigende und schwingungsarme Funktion der Einrichtung gesteigert wird. Eine Einrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3 stellt eine vorteilhafte Kombination dar. Zweckmäßig ist es auch, den Steuerkreis gemäß Anspruch 6 als VoIlbrückenschaltung auszubilden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der Zeichnung sowie der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Einrichtung zur Hubwerksregelung bei einem Schlepper in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt in vereinfachter Darstellung eine Einrichtung 10 zur Hubwerksregelung bei einem Ackerschlepper. Die Einrichtung 10 weist einen hydraulischen Arbeitskreis 11 auf, in dem ein Regel-Wegeventil 12 in an sich bekannter Weise einen Kraftheber 13 steuert, welcher ein am Schlepper angelenktes Hubwerk 1^ betätigt. Der Arbeitskreis 11 wird von einer Arbeitspumpe 15 mit Druckmittel versorgt. Das Regel-Wegeventil 12 ist in an sich bekannter Weise als U/3-Wegeventil ausgebildet und hat einen federzentrierten Steuerschieber 16, der durch Druckbeaufschlagung in den beiden Steueranschlüssen 17» 18 des Wegeventils 12 aus der gezeichneten Mittelstellung wahlweise nach beiden.Richtungen in Arbeitsstellungen auslenkbar ist.

Zum Betätigen des Wegeventils 12 ist ein hydraulischer Steuerkreis 19 vorgesehen, der unter anderem eine hydraulische Voll-Brückenschaltung 21 aufweist, die von einer Steuerölpumpe 22 mit Druckmittel versorgt wird. In der Brückenschaltung 21 sind deren Widerstände so angeordnet, daß in einem ersten Brückenzweig 23 hintereinander eine Verstelldrossel 2k als Sollwertgeber sowie eine Pestdrossel 25 liegen, während in einem zweiten Brückenzweig 26 eine Verstelldrossel als Istwertgeber 27 sowie eine Festdrossel 28 geschaltet sind. Der Istwertgeber 27 ist über eine mechanische Verbindung 30 mit dem Hubwerk 1k so gekoppelt, daß dessen lageabhängige Signale rückgeführt werden.

Der hydraulische Steuerkreis 19 weist neben der Voll-Brückenschaltung 21 zwei Drucksteuerventile 29, 3J auf, von denen jedes an die Steuerölpumpe 22, an einen Steuer-

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anschluß 17 bzw. 18, an einen Rücklauf 32 sowie an die Brückenschaltung 21 angeschlossen ist. Die beiden Drucksteuerventile 29» 31 haben die gleiche Bauart und sind in den hydraulischen Kreisen symmetrisch geschaltet, so daß im folgenden nur auf das erste Drucksteuerventil eingegangen wird, das dem ersten Brückenzweig 23 zugeordnet ist. Für entsprechende Bauelemente des zweiten Drucksteuerventils 31 werden gleiche Bezugszeichen wie beim ersten Drucksteuerventil 29 verwendet, jedoch mit dem Index '.

Das erste Drucksteuerventil 29 hat als Steuerglied einen Längsschieber 33, der in einer Schieberbohrung 3^ dicht und gleitend geführt ist. In der Schieberbohrung 3^ sind durch ringförmige Erweiterungen Kammern so ausgebildet, daß neben einer außenliegenden Steuerkammer 35 eine Rücklaufkammer 36, eine Zulaufkammer 37 sowie eine Druckkammer 38 liegen. Die Steuerkammer 35 hat über eine Steuerleitung 39 mit einem Abgriffspunkt k1 der Brückendiagonale Verbindung. Die Rücklaufkammer 36 ist über einen Kanal k2 mit dem Rücklauf 32 verbunden. Die Zulaufkammer 37 ist über eine Zulaufleitung U3 parallel zur Brückenschaltung 21 an den Ausgang der Steuerölpumpe 22 angeschlossen. Die Druckkammer 38 steht über einen Durchgang hk mit dem ersten Steueranschluß 17 des Wegeventils 12 in Verbindung, wobei in diesen Durchgang kk eine Drossel U 5 zur Gegenkoppelung geschaltet ist. Der Längsschieber 33 ist durch eine Ringnut kO in zwei Kolbenabschnitte unterteilt, die jeweils eine der Ringnut zugeordnete erste (U6) bzw. zweite Steuerkante kl bilden. Ein der Ringnut kO zugeordneter Ringraum steht über im Längsschieber 33 ausgebildete Quer- und Längsbohrungen U8 mit der Druckkammer 38 in Verbindung. Auf diese Weise steuert die erste Steuerkante U6 die Verbindung von der Druckkammer 38 zum Rücklauf 32, während

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die zweite Steuerkante hj zwischen Druckkammer 38 und die Zulaufleitung U3 geschaltet ist. Die "beiden Steuerkanten U6, kj sind mit Null- bzw. geringer positiver ÜBerdeckung ausgebildet. Der Längsschieber 33 weist ferner an seinem stirnseitigen Ende gleich große Druckflächen auf, an denen er von den Drücken in der Steuerkammer 35 bzw. in der Druckkammer 38 beaufschlagt wird.

Beim zweiten Drucksteuerventil 31 ist in entsprechender Weise die Druckkammer 38' über den Durchgang kh' mit Drossel U5 * an den zweiten Steueranschluß 18 des Wegeventils 12 angeschlossen. Die Steuerkammer 35' hat über die Steuerleitung 39' mit dem Abgriffspunkt h-9 der Brückendiagonale zwischen Istwertgeber 27 und Festdrossel 28 Verbindung. Ein Druckbegrenzungsventil 51 sichert den Steuerkreis 19 ab.

Die Wirkungsweise der Einrichtung 10 wird wie folgt erläutert: Es sei davon ausgegangen, daß sich die Einrichtung 10 im Gleichgewicht befinde, wobei das am Istwertgeber 27 anstehende Signal dem am Sollwertgeber 2.\ vorgegebenen Signal entspricht. Dann sind auch die Drücke in den Abgriffspunkten U1, h$ der Brückendiagonale gleich groß und somit auch die Längsschieber 33, 33' an ihren jeweiligen stirnseitigen Druckflächen von gleich großen Drücken beaufschlagt. Die Längsschieber 33, 33' nehmen dabei die gezeichneten Ausgangsstellungen ein, wobei sie infolge der Null-Überdeckung bzw. geringen positiven Überdeckung ihrer Steuerkanten k6, kj die Steueranschlüsse 17, 18 des Wegeventils 12 hydraulisch blockieren. Von der Steuerölpumpe 22 fließt somit lediglich ein verzweigter SteuerölstroEi über die beiden Zweige 23, 26 der Brükkenschaltung 21 jeweils zum Tank 52. Das Regel-Wege-

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ventil 12 entlastet die Arbeitspumpe 15 zum Tank 52 und sperrt den Kraftheber 13 hydraulisch ab.

Wird nun z.B. zum Heben des Hubwerks 1U der Sollwertgeber 2U so verstellt, daß sich der Druck im Abgriffspunkt k1 und damit in der Steuerkammer 35 des ersten Drucksteuerventils 29 erhöht, so wird dessen Längsschieber 33 - bezogen auf die Figur - nach rechts ausgelenkt. Die zweite Steuerkante ^7 cLes Längsschiebers 33 öffnet dabei die Verbindung von der Zulaufkammer 37 über die Bohrungen U8 in die Druckkammer 38, so daß der von der Steuerölpumpe 22 aufgebaute, höhere Druck auch über den Durchgang kk mit der Drossel k-5 in den ersten Steueranschluß 17 gelangen kann und den Steuerschieber 16 entgegen der vereinigten Kräfte aus Druck im zweiten Steueranschluß 18 und Feder nach rechts schiebt. Das gleichzeitig vom Steuerschieber 16 aus dem zweiten Steueranschluß 18 verdrängte Druckmittel verschiebt zugleich den Längsschieber 33' nach rechts, wobei seine erste Steuerkante U6' die Verbindung vom Druckraum 38' zur Rücklaufkammer 36' aufsteuert. Das vom Steuerschieber 16 verdrängte Druckmittel kann somit über das zweite Drucksteuerventil 31 nahezu ungedrosselt und somit frei von Hindernissen zum Rücklauf 32 abströmen. Da andererseits die Steuerölpumpe 22 über das erste Drucksteuerventil 29 ungehindert Druckmittel in den ersten Steueranschluß 17 fördern kann, wird der Steuerschieber 16 im Wegeventil 12 somit schnell und ohne Behinderung verschoben. Die Größe der Drosselstellen 2k bis 28 in der VoIl-Brückenschaltung 21 haben somit lediglich noch Einfluß auf die Geschwindigkeit der Längsschieber 33, 33', nicht mehr auf die Geschwindigkeit des Steuerschiebers 16 im Wegeventil 12. Es können also die

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Widerstände in der Brückenschaltung 21 relativ klein ausgelegt werden, wodurch die Verlustleistung sinkt.

Die Verschiebung des Steuerschiebers 16 nach rechts hört auf, wenn bei ausgelenktem Steuerschieber 16 der im ersten Steueranschluß 17 wirksame Druck sich im Gleichgewicht befindet mit der Summe der Kräfte aus Druck und Federkraft im zweiten Steueranschluß 18. Die Drücke in der Steuerkammer 35 und im Druckraum 38 des ersten Drucksteuerventils 29 sind dann gleich groß, so daß der Längsschieber 33 wieder in seine gezeichnete Mittelstellung zurückgeführt wird. Der erste Steueranschluß 17 des Wegeventils 12 ist somit hydraulisch blockiert und der Steuerschieber 16 wird in seiner ausgelenkten Stellung gehalten, wobei von der Steuerölpumpe 22 kein Steuerölstrom über das erste Drucksteuerventil 29 zum Tank abfließen kann. Von der Arbeitspumpe 15 kann somit in Hebenstellung des Wegeventils 12 Druckmittel zum Kraftheber 13 strömen und das Hubwerk lh anheben, wobei über die Rückführung 30 der Istwertgeber 27 soweit aufsteuert, daß nun auch der Druck im Abgriffspunkt lj-9 steigt. Beim Hebenvorgang des Hubwerks 1 h wirkt nun der sich erhöhende Druck im Abgriffspunkt k9 in der Steuerkammer 35' des zweiten Drucksteuerventils und verschiebt dessen Längsschieber 33' nach links. Dessen zweite Steuerkante kj' öffnet nun die zugeordnete Verbindung und von der Steuerölpumpe kann Druckmittel über diese Steuerkante hj' in die Druckkammer 38' und weiter in den zweiten Steueranschluß 18 des Wegeventils 12 gelangen. Der zuvor nach rechts ausgelenkte Steuerschieber 16 wird somit wieder nach links bewegt in Richtung seiner Mittelstellung, wobei nun in entsprechend umgekehrter Weise aus dem ersten Steueranschluß 17 Druckmittel über das er-

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ste Drucksteuerventil 29 ungehindert zum Tank 52 entweichen kann. Das Zurückstellen des Steuerschiebers 16 in seine Mittelstellung ist dann beendet, wenn die Regelabweichung in der Einrichtung 1O zu Null geworden ist. Die Drücke in den Abgriffspunkten U1, U9 der Brückendiagonale sind dann wieder gleich groß, wenn auch absolut höher. Beide Längsschieber 33, 33' nehmen dann wieder ihre gezeichnete Ausgangsstellungen ein, wobei sie den Steuerschieber 16 hydraulisch blockieren.

In entsprechend umgekehrter Weise kann der Steuerschieber 16 auch nach links ausgelenkt werden, um einen Senkenvorgang einzuleiten. Der Durchflußwiderstand am Sollwertgeber 2k wird dazu entsprechend erhöht, wodurch der Druck am Abgriffspunkt U1 sinkt. Dementsprechend wird der Längsschieber 33 im ersten Drucksteuerventil 29 den ersten Steueranschluß IT zum Rücklauf 32 entlasten, während der Längsschieber 33' des zweiten Drucksteuerventils 31 Druckmittel von der Steuerölpumpe 22 in den zweiten Steueranschluß 18 steuert. Im übrigen läuft der Senkenvorgang in entsprechend umgekehrter Weise wie der Hebenvorgang ab.

Die Drosseln U5, U5' in den Durchgängen UU, UU' dienen zur Gegenkopplung für die Längsschieber 33, 33' und sorgen für einen einwandfreien, schwingungsarmen, stabil en Betrieb der Regelung. Ferner ist von Bedeutung, daß die Längsschieber 33, 33' stirnseitig lediglich von hydraulischen Steuerdrücken beaufschlagt werden und nicht einseitig von Federkräften vorgespannt sind. Mit Hilfe der als 3Wegeventile ausgebildeten Drucksteuerventile 29, 31 kann somit auch bei relativ kleiner hydraulischen Verlustleistung des Steuerölkreises 12

eine hohe Stellgeschwindigkeit am Steuerschieber 16 und damit eine hohe Regeldynamik im Regelkreis erzielt werden. Dadurch wird ferner auch eine platzsparende Bauweise der Einrichtung 10 begünstigt, zumal als Druckregelventile einfache und kompakte Ventile verwendbar sind.

Infolge der hydraulischen Gegenkopplung durch die Drossel k5 (bzw. ί+ 5^T ) im Ablauf der Vorsteuerung wird das Ablaufvolumen der Vorsteuerung im Druckraum 38 vom Ansteuervolumen des Hauptsteuerschiebers 16 im ersten Steueranschluß 17 entkoppelt. Die Zeitkonstante für den-Druckaufbau im Ablaufvolumen 38 wird damit vernachlässigbar klein, so daß der Druck im Ablaufvolumen 38 dem Ansteuerdruck in der Steuerkammer 35 entspricht. Die Hysterese wird nur noch von der Reibung am Längsschieber 33 der Vorsteuerung bestimmt. Die Vorsteuerschieber 33 zentrieren sich selbst, da kleinste Öffnungen der Steuerkanten k6_t kj zu entsprechenden Druckänderungen im Druckraum 38 führen. Die Differenz aus Ansteuerdruck und dem Druck resultierend aus Federkraft und . Stirnfläche des Hauptsteuerscheibers ίβ bestimmt den Volumenstrom über die Gegenkopplungs-Drossel k3 und somit die Geschwindigkeit des Hauptsteuerschiebers Die Geschwindigkeit läßt sich somit in einem großen Bereich dem geforderten dynamischen Verhalten anpassen. Der Hauptsteuerschieber 16 kann selbst bei kleinen Druckdifferenzen von z.B. wenigen Zehntel bar ansprechen.

Selbstverständlich sind an der gezeigten Einrichtung Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So ist die gezeigte Einrichtung nicht auf eine Anwendung mit Vollbrückenschaltung im Steuerkreis begrenzt, sondern sie kann auch im Zusammenhang

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mit einer Halbbrückenschaltung im Steuerkreis verwendet -werden. Auch ist die Einrichtung nicht auf die beschriebene Lageregelung beschränkt, sondern kann genauso gut bei anderen Regelungsarten wie Zugkraft-, Druck-, Tast- oder Mischregelungen usw. angewandt werden. Auch ist die Anordnung der Widerstände in der Brückenschaltung nicht entscheidend und unabhängig davon, ob der Sollwertgeber und die Istwertgeber in einer Art angeordnet werden, wie sie die eingangs erwähnten Druckschriften für Hubwerks-Regeleinrichtungen lehren oder in einer anderen Weise angeordnet sind. Ebenso ist der Erfindungsgegenstand vorteilhaft anwendbar, wenn der Steuerkreis nach Art einer Doppelbrückenschaltung aufgebaut ist, wie dies z.B. aus der DE-AS 27 51 bekannt ist. Es sind somit eine Vielzahl von Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.

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Claims (7)

R. 19081 25.11.1983 My/Pi ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1 Ansprüche

1. Einrichtung zur Hubwerksregelung "bei Schleppern, Mähdreschern und dergleichen, mit einem hydraulischen Arbeitskreis, der ein in zwei Richtungen druckbetätigbares Wegeventil aufweist und mit einem zur Betätigung des' Wegeventils dienenden, hydraulischen Steuerkreis zur rein hydraulischen Signalverarbeitung, mit in den Steuerkreis geschalteten Istwert- und Sollwertgebern, wobei der Steuerkreis in der Form einer die Istwert- und Sollwertgeber sowie Festwiderstände aufnehmenden Brückenschaltung ausgebildet ist, deren Druck im Abgriffspunkt einer Brückendiagonale den Druck im Steueranschluß des W.egevent ils beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steueranschluß (17) des Wegeventils (12) und einer Druckmittelquelle (22) ein 3Wege-Drucksteuerventil (29) geschaltet ist, dessen Steuerglied (33) den Steueranschluß (17) wahlweise blockiert, mit der Druckmittelquelle (22) oder einem Ablauf (32) verbindet und daß das Steuerglied (33) lediglich von den Drücken im Abgriff spunkt (k1) der Brückendiagonale (39) und in einer mit dem Steueranschluß (17) des Wegeventils (.12) verbundenen Druckkammer (38) betätigbar ist.

ΐ90s ff

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied als ein nur von hydraulischen Drücken beaufschlagter, schwimmend angeordneter Längsschieber (33) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Durchgang (kk) zwischen Druckkammer (38) am Steuerglied (33) und Steueranschluß (17) am Wegeventil (12) eine zur Gegenkoppelung dienende Drossel (U-5) geschaltet ist.

k. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (33) an einander entgegengesetzt liegenden Enden gleichgroße Druckflächen aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, ■ daß am Längsschieber (33) durch eine Ringnut (UO) zwei Steuerkanten (k6, kj) ausgebildet sind, die eine relativ geringe positive oder eine Null-Überdeckung aufweisen und die Ringnut (ko) mit dem stirnseitigen Druckraum (38) verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (19) als Vollbrückenschaltung (21) ausgebildet ist und beiden Steueranschlüssen (17, 18) des Wegeventils (12) jeweils ein Drucksteuerventil (29,

31) mit jeweils einer Drossel (h-5, U5¹) zur Gegenkopplung zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (16) und die beiden Längsschieber (33, 33') koaxial zueinander angeordnet sind. J