DE4127342A1 - Hydraulisches system mit pumpe und verbraucher - Google Patents

Hydraulisches system mit pumpe und verbraucher

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches System mit einer Pumpe und mindestens einem hiervon versorgten Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches hydraulisches System ist aus DE-PS 25 14 624 bekannt. Dort sind die Steuerventile als Proportionalven­ tile ausgebildet, denen jeweils ein Kompensationsventil vorgeschaltet ist, welches den Druckabfall am Proportio­ nalventil konstant hält. Die Pumpe hat ein festes Förder­ volumen. Das Ableitventil führt eine jeweils so große Druckflüssigkeitsmenge zum Behälter zurück, daß der Pumpendruck um eine vorbestimmte Druckdifferenz, welche durch eine am Schieber des Ableitventils angreifende Feder vorgegeben ist, über dem höchsten Lastdruck liegt.
Es ist ferner bekannt (DE-OS 37 02 000), anstelle der Pumpe mit festem Fördervolumen und Ableitventil eine Pumpe mit variablem Fördervolumen vorzusehen, welches mit Hilfe einer Pumpenregelvorrichtung eingestellt wird. Zu ihr gehört ein elektronisches Steuergerät, dem Lage­ signale von den Schiebern der Kompensationsventile zuge­ führt wird.
Bekannt ist es ferner (DE-OS 37 16 200), bei einem hy­ draulischen System mit Pumpenregelvorrichtung ein elek­ tronisches Steuergerät zu verwenden, dem Stellsignale von Stellvorrichtungen zugeführt werden, welche nach elektronischer Verarbeitung als korrigierte Stellsignale an die Proportionalventile weitergegeben werden. Wird mit Hilfe einer Stellvorrichtung ein weiterer Verbraucher hinzugeschaltet, sorgt das Steuergerät auch für eine entsprechende Verstellung der Pumpe. Außerdem wird bei einer Sollwertvorgabe, durch die die Pumpe mehr als die maximale Fördermenge liefern müßte, der Leistungsbe­ darf der Verbraucher zurückgeregelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb von hydraulischen Systemen zu verbessern. Der Grundge­ danke der Erfindung besteht darin, das Ableitventil in neuen Funktionszusammenhängen zu verwenden.
Gemäß der Lösung nach Anspruch 1 ist eine Pumpenregelvor­ richtung vorhanden, also eine variable Pumpe vorgesehen. Solche Druckregelvorrichtungen sind aber verhältnismäßig träge. Plötzlich auftretende Lastdruckspitzen, z. B. wenn ein Verbraucher plötzlich abgeschaltet wird, wirken sich in vollem Umfang im hydraulischen System aus. Dieser Nachteil wird mit Hilfe des Ableitventils verhindert, das im Normalbetrieb keinerlei Einfluß nimmt, weil es infolge der Wahl seiner Druckdifferenz mit Bezug auf die Druckdifferenz der Pumpenregelvorrichtung geschlos­ sen ist und lediglich bei den genannten Druckspitzen öffnet. Der Schieber des Ableitventils ist reaktions­ schnell, so daß sich die Druckspitzen nicht im hydrau­ lischen System auswirken können. Diese Maßnahme erfor­ dert auch keinen großen Aufwand, weil einem üblichen hydraulischen System mit variabler Pumpe und üblichem Aufbau der Steuerventile, insbesondere Proportionalven­ tile, lediglich das Ableitventil hinzugefügt werden muß.
Anspruch 2 befaßt sich wiederum mit dem Problem des langsamen Ansprechens der Pumpenregelvorrichtung. Da die Stellsignale von der Stellvorrichtung zeitlich schon vor der Betätigung der Steuerventile auftreten, ergibt sich eine rechtzeitige Voreinstellung der Pumpenförde­ rung. Diese mag aber noch ungenau sein. Sie wird daher von einer Regelung aufgrund des Druckdifferenzsignals überlagert, die sehr rasch, nämlich wenn das Ableitven­ til gerade geschlossen hat, zur gewünschten Pumpenförde­ rung führt.
Die Lösung nach Anspruch 3, die sich sowohl für variable Pumpen als auch für feste Pumpen eignet, führt zu einer sehr einfachen Verhinderung einer Überlastung des hydrau­ lischen Systems. Die vom Ableitventil abhängige Druckdif­ ferenz zwischen Pumpendruck und höchstem Lastdruck ist nämlich ein Maß für die Belastung des Systems. Vergleicht man die Druckdifferenz mit Differenz-Grenzwerten, die im Steuergerät gespeichert sind, wird der Belastungs­ grenzbereich erkannt, so daß durch Drosselung der Steuer­ ventile eine Überlast-Sicherung erfolgt.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 kann die Überlast- Sicherung noch verbessert werden, weil die Stärke der Drosselung von vornherein den jeweils überschrittenen Differenz-Grenzwerten angepaßt ist.
Wegen der Federcharakteristik der den Schieber des Ab­ leitventils belastenden Feder ist die Lage des Schiebers ein direktes Maß für die Druckdifferenz zwischen Pumpen­ druck und höchstem Lastdruck. Man kann daher statt eines Wandlers, der die Druckdifferenz mißt und als elektri­ sches Druckdifferenzsignal an das Steuergerät abgibt, gemäß Anspruch 5 einen Lagesensor am Ableitventil vor­ sehen, dessen Lagesignal ebenfalls als Druckdifferenz­ signal ausgewertet werden kann.
Die Weiterbildung nach Anspruch 6 dient der Überlast- Sicherung des Antriebsmotors der Pumpe. Die Grenzbe­ lastung wird an einem Absinken der Drehzahl festgestellt. Bei einem Antriebsmotor mit konstanter Drehzahl liegt der Drehzahl-Grenzwert fest. Bei einer Pumpe mit regel­ barer Drehzahl ist der Drehzahl-Grenzwert von der jewei­ ligen Nenndrehzahl abhängig.
Die Weiterbildung nach Anspruch 7 erlaubt es, in einem Grenzbereich die Drosselwirkung dem Drehzahlabfall anzu­ passen.
Üblicherweise wird die erforderliche Drosselung vom Steuergerät gleichmäßig auf die einzelnen im Betrieb befindlichen Steuerventile aufgeteilt. Gemäß der Aus­ führung nach Anspruch 8 können aber auch Prioritäten gesetzt werden. Dies bedeutet, daß ein wichtiger Verbrau­ cher von der Drosselung vollständig ausgenommen wird oder daß die Drosselwirkung in einem vorgegebenen Ver­ hältnis, z. B. 20% und 80% zwischen einem wichtigen und einem weniger wichtigen Verbraucher aufgeteilt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltschema eines hydraulischen Systems mit variabler Pumpe,
Fig. 2 die Stelleinrichtung der variablen Pumpe und
Fig. 3 in einem Teilschema ein hydraulisches System, dessen Pumpe eine konstante Fördermenge liefert.
Gemäß Fig. 1 fördert eine variable Pumpe 1 aus einem Behälter 2 Druckflüssigkeit zur Druckleitung 3, über die mehrere Verbraucher 104 versorgt werden. Zu diesem Zweck sind sie zulaufseitig über ein Kompensationsventil 5, 105 und ein Steuerventil 6, 106 in der Form eines Proportionalventils und über eine von zwei Motorleitun­ gen 7, 8 bzw. 107, 108 mit der Druckleitung 3 verbunden, während die jeweils andere Motorleitung über das Steuer­ ventil 6, 106 zum Behälter 2 zurückführt.
Jedem Verbraucher ist eine Lastdruckfühlleitung 9, 109 zugeordnet, deren beide Zweige in der Neutralstellung des Steuerventils mit dem Behälter 2 verbunden sind, während im Betrieb jeweils einer der Zweige mit einer Lastdruckfühlstelle 10, 11 bzw. 110, 111 in Verbindung steht. Der Lastdruck wirkt zusammen mit einer Feder 12, 112 auf die eine Druckfläche des Schiebers des Kom­ pensationsventils 5, 105, während die andere Druckfläche von dem über die Leitung 13, 113 zugeführten Druck vor dem Steuerventil 6, 106 belastet ist. Das Kompensations­ ventil sorgt daher dafür, daß der Druckabfall im Steuer­ ventil 6, 106 zuflußseitig konstant ist. Wechselventile 14, 114 sorgen dafür, daß im Fühlleitungsabschnitt 15 der jeweils höchste Lastdruck herrscht.
An die Pumpenleitung 3 ist ein Ableitventil 16 ange­ schlossen, dessen Schieber einerseits von einer einstell­ baren Feder 16a und dem höchsten Lastdruck im Fühllei­ tungsabschnitt 15 und in entgegengesetzter Richtung von dem über den Leitungsabschnitt 17 zugeführten Pumpen­ druck belastet ist. Dem Schieber des Ableitventils 16 ist ein Lagesensor 18 zugeordnet, dessen Lagesignal X in einem Wandler 19 in ein Druckdifferenzsignal U umge­ setzt wird.
Das Druckdifferenzsignal U wird einem elektronischen Steuergerät 20 zugeführt. Stellvorrichtungen 21, 121 geben bei Betätigung Stellsignale s1, s2 an das Steuer­ gerät 20 ab. Dieses verarbeitet die einzelnen Signale und erzeugt Betätigungssignale b1, b2 zur Verstellung der Steuerventile 6, 106. Außerdem enthält das Steuerge­ rät 20 eine Pumpenregelvorrichtung 22, die Steuersig­ nale f an eine Stellvorrichtung 23 der variablen Pumpe 1 abgibt. Das Steuergerät 20 verarbeitet die eingehenden Signale, um in Abhängigkeit hiervon die Steuerventile und die Pumpe zu betätigen.
Die Stellvorrichtung 23 der Pumpe 1 kann beispielsweise die in Fig. 2 veranschaulichte Form haben. Ein Stellkol­ ben 24 zur Verstellung des Pumpenhubes ist einerseits von einer Feder 25 und andererseits von dem Druck im Zylinderraum 26 belastet. Dieser Druck wird durch das Steuersignal f bestimmt, welches auf ein magnetisches Stellventil 27 einwirkt, dessen Abgriff 28 einen Druck zwischen dem Druck der Pumpenleitung 3 und dem Behälter­ druck führt.
Wenn beispielsweise die Stellvorrichtung 21 betätigt wird, um den Axialkolbenmotor 4 zu verstellen, löst das Stellsignal s1 im Steuergerät 20 zunächst eine zuge­ hörige Voreinstellung der variablen Pumpe 1 aus. Außerdem wird ein Betätigungssignal b1 an das Steuerventil 6 gegeben. Da die Pumpe 1 schon frühzeitig beeinflußt wird, kann sie sich trotz ihrer Trägheit parallel mit der Betätigung des Steuerventils 6 der gewünschten Stel­ lung annähern. Alsdann steht das Ableitventil 16 unter dem Einfluß der Druckdifferenz zwischen Pumpendruck und Lastdruck des Axialkolbenmotors 4. Es nimmt eine entsprechende Stellung ein. Der Lagesensor 18 führt zu einem entsprechenden Druckdifferenzsignal U. Ent­ spricht dies nicht dem gewünschten Wert, sorgt die Pum­ penregelvorrichtung 22 für eine entsprechende Nachrege­ lung. Dies ergibt einen sehr genauen Betrieb.
Insbesondere sollte die Druckdifferenz, bei der das Ableitventil 16 öffnet und die durch die Feder 17 einge­ stellt ist, geringfügig größer sein als die Druckdiffe­ renz, für die die Pumpenregelvorrichtung 22 voreinge­ stellt ist. Das bedeutet für den normalen Betrieb, daß das Ableitventil 16 geschlossen ist und keinen Einfluß auf das System hat. Wenn aber ein plötzlicher Anstieg der Druckdifferenz erfolgt, beispielsweise weil der Verbraucher plötzlich abgeschaltet oder ein Endanschlag erreicht wird, werden entsprechende Druckdifferenzspitzen durch Öffnen des Ableitventils 16 abgebaut, so daß sie keinen Schaden stiften können.
Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 3 wird eine Pumpe 101 mit fester Fördermenge verwendet. Sie wird von einem Antriebsmotor 29 über eine Welle 30 ange­ trieben, der ein Drehzahlmesser 31 zugeordnet ist, der die Ist-Drehzahl d an das Steuergerät 120 meldet. Ein Ableitventil 116 ist in gleicher Weise wie beim voran­ gehenden Ausführungsbeispiel an die Pumpenleitung 3 angeschlossen. Dem Ventilschieber ist ein Lagesensor 118 zugeordnet, der ein die Druckdifferenz zwischen Pumpendruck und Lastdruck kennzeichnendes Lagesignal X an den Wandler 119 abgibt, der seinerseits das Steuerge­ rät 120 mit einem entsprechenden Druckdifferenzsignal U versorgt. Der übrige Aufbau der Schaltung entspricht denjenigen der Fig. 1.
Das Steuergerät 120 besitzt einen Speicher 32, in welchem Druckdifferenz-Grenzwerte und Drehzahl-Grenzwerte enthal­ ten sind, welche für eine Grenzbelastung des hydrau­ lischen Systems bzw. des Antriebs kennzeichnend sind. Diese Grenzwerte können vom Hersteller der Anlage vorge­ geben oder vom Benutzer aufgrund einiger Versuche einge­ stellt werden.
Zur Sicherung des hydraulischen Systems gegen Überlastung wird in einem Vergleicher 33 das die tatsächliche Be­ lastung kennzeichnende Druckdifferenzsignal U mit einem gespeicherten Druckdifferenz-Grenzwert verglichen. Das Steuergerät drosselt den Volumenstrom mit Hilfe der Steuerventile derart, daß die tatsächliche Druckdifferenz im Bereich des Druckdifferenz-Grenzwertes verbleibt. Um die gewünschte Drosselung möglichst rasch vornehmen zu können, kann auch ein Grenzbereich mit mehreren in der Größe gestaffelten Grenzwerten vorgesehen werden, bei deren Erreichen das Steuergerät eine zunehmend stär­ kere Drosselung bewirkt.
Wünscht man eine Sicherung des Antriebsmotors der Pumpe, so wird das Drehzahlsignal d im Vergleicher 33 mit einem gespeicherten Drehzahl-Grenzwert verglichen. Bei einer zu starken Belastung ändert das Steuergerät 120 die Betätigungssignale b1, b2 in ähnlicher Weise wie zuvor beschrieben derart, daß die Drehzahl im vorgegebenen Grenzbereich bleibt.
Das Steuergerät 20, 120 ermöglicht es auch, eine Diffe­ renzierung der Drosselung der Steuerventile 6, 106 vorzu­ nehmen. So kann bei einem bevorzugten Verbraucher die Drosselung unterdrückt und der gesamte Drosseleffekt auf die anderen Steuerventile verteilt werden. Es ist auch möglich, ein Steuerventil stärker und das andere Steuerventil schwächer zu drosseln, beispielsweise im Verhältnis 80%/20%.
Von den dargestellten Ausführungsformen kann in viel­ facher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann als variable Pumpe eine Pumpe mit drehzahlregelbarem Motor verwendet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Drehzahl mit Hilfe eines Drehzahlmessers an das Steuergerät 20 zurückzumelden. Statt der Kompensations­ ventile 5, 105 kann auch im Steuergerät 20 ein Kenn­ linienfeld gespeichert sein, das in Abhängigkeit von den verschiedensten Betriebsdaten dafür sorgt, daß die Steuerventile 6, 106 als Proportionalventile arbeiten.

Claims (9)

1. Hydraulisches System mit
  • a) einer Pumpe (1),
  • b) mindestens einem hiervon versorgten Verbraucher (4, 104),
  • c) Steuerventilen (6, 106) zwischen Pumpe und Ver­ braucher,
  • d) Stellvorrichtungen (21, 121) zu deren Betätigung,
  • e) einer Vorrichtung (9, 109; 14, 114) zur Feststel­ lung des höchsten Verbraucher-Lastdrucks,
  • f) einem Ableitventil (16, 116), das an die Pumpen­ leitung (3) angeschlossen ist und zum Behälter (2) hin öffnet, wenn eine vorgegebene Druckdiffe­ renz zwischen Pumpendruck und höchstem Lastdruck überschritten wird,
gekennzeichnet durch
  • g) eine Pumpenregelvorrichtung (22), die so ausgebil­ det ist, daß sich eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen Pumpendruck und höchstem Lastdruck ein­ stellt,
  • h) wobei die beim Ableitventil (16) vorgegebene Druck­ differenz etwas größer ist als die bei der Pumpen­ regelvorrichtung (22) vorgegebene Druckdifferenz.
2. Hydraulisches System nach Anspruch 1, ferner gekenn­ zeichnet durch
  • i) ein Steuergerät (20, 120), das in Abhängigkeit von Stellsignalen (s1, s2), welche die Stellvor­ richtungen erzeugen, die Steuerventile (6, 106) betätigt, und
  • j) einen Wandler (19, 119), der die tatsächliche Druckdifferenz zwischen Pumpendruck und höchstem Lastdruck in ein dem Steuergerät (20, 120) zuzu­ führendes Druckdifferenzsignal (U) umsetzt,
  • k) wobei das Steuergerät die Pumpenförderung in Ab­ hängigkeit von den Stellsignalen (s1, s2) vorein­ stellt und in Abhängigkeit vom Differenzdrucksig­ nal (U) regelt.
3. Hydraulisches System mit den Merkmalen a) bis f) und i) bis j) sowie gegebenenfalls g) bis h) der Ansprüche 1 und 2, und ferner mit
  • l) einem Speicher (32) im Steuergerät (120), der einen einer vorgegebenen Belastung des hydrau­ lischen Systems entsprechenden Differenz-Grenzwert enthält,
  • m) einem Vergleicher (33), der das Druckdifferenzsig­ nal (U) mit dem Differenz-Grenzwert vergleicht,
  • n) wobei das Steuergerät (120) die Steuerventile (6, 106) drosselt, wenn das Druckdifferenzsignal (U) den Differenz-Grenzwert überschreitet.
4. Hydraulisches System nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vergleicher (33) mehrere in ihrer Größe gestaffelte Differenz-Grenzwerte enthält und daß das Steuergerät (120) die Steuerventile (6, 106) umso stärker drosselt, je größer der überschrittene Differenz-Grenzwert ist.
5. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ableitventil (16, 116) ein Lagesensor (18) zugeordnet ist, der die Lage des Ventilschiebers feststellt, und daß das vom Lage­ sensor abgegebene Lagesignal (X) einem Wandler (19, 119) zur Abgabe des Druckdifferenz-Signals (U) zuführ­ bar ist.
6. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (29) der Pumpe (101) mit einem Drehzahlmesser (31) versehen ist, der die Ist-Drehzahl mißt, daß der Speicher (32) einen einer vorgegebenen Belastung des Antriebsmotors entsprechenden Drehzahl-Grenzwert enthält, und daß das Steuergerät (120) die Steuerventile (6, 106) drosselt, wenn die Ist-Drehzahl den Drehzahl-Grenzwert unterschreitet.
7. Hydraulisches System nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vergleicher (33) mehrere in ihrer Größe gestaffelte Drehzahl-Grenzwerte enthält und daß das Steuergerät (120) die Steuerventile (6, 106) umso stärker drosselt, je kleiner der unterschrittene Drehzahl-Grenzwert ist.
8. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drosselvorgang das Steuergerät (120) mindestens ein Steuerventil (6, 106) nicht oder in geringerem Maße als die anderen Steuer­ ventile drosselt.
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