EP0656447A1 - Control system for splitting up the fluid flow in hydraulic systems with a plurality of users - Google Patents
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- EP0656447A1 EP0656447A1 EP94117578A EP94117578A EP0656447A1 EP 0656447 A1 EP0656447 A1 EP 0656447A1 EP 94117578 A EP94117578 A EP 94117578A EP 94117578 A EP94117578 A EP 94117578A EP 0656447 A1 EP0656447 A1 EP 0656447A1
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Definitions
- the invention relates to a controller for dividing the flow rate made available by at least one pump in hydraulic systems to several consumers according to the load pressure-independent principle in the event of a shortage of consumers by the flow rate, in particular for construction machines, such as wheel loaders, graders, excavators or the like.
- Hydraulic systems with control spools based on the throttle principle are not able to divide a flow rate when the spool is switched through, since even with a small pressure difference between the consumers, the lower flow rate flows to the entire flow rate.
- the load pressure-independent system offers the option of distributing the flow rate to the individual consumers according to certain criteria.
- the hydraulic consumers for example cylinders
- Priority pressure compensators connected in series to each spool. If two or more consumers are operated at the same time, the one closer to the pump receives the desired quantity in the course of the pump channel, while the residual current is offered to the other consumers. With a 50% supply ratio of two consumers with the same nominal flow rate, the consumer initially located in the slide valve's pump connection therefore receives the full flow (off highway capability - wheeled loaders from Vickers).
- LUDV Flow pressure-independent flow distribution
- the aim of the subject matter of the invention is to design the control system described in the introduction in such a way that the requirements placed on the working hydraulics, in particular of construction machinery, are met in such a way that, in the event of an insufficient supply, the ratio, with the simultaneous actuation of two or more consumers, of the flow rates flowing to them is different than the ratio the nominal flow rates of these consumers, this ratio should also be unaffected by the load (cylinder) pressures.
- This goal is achieved in a control system for distributing the flow rate provided by at least one pump in hydraulic systems to several consumers according to the load pressure-independent principle in the event of a shortage of consumers, in particular for construction machinery, such as wheel loaders, graders, excavators or the like, in that one
- Each control slide valve having a predeterminable control cross section is followed by a compensator consisting essentially of a piston and actuating element, and each consumer connected downstream of the compensator receives a predeterminable proportion of the flow rate depending on the degree of undersupply by the pistons of the compensators closing the passage cross sections due to the differently exerted forces of their actuating elements release to consumers with different opening pressures.
- a control slide is selected according to the load pressure-independent principle (load sensing) with downstream compensators, the opening pressure of the pistons being different, for example, from differently selected spring forces.
- the choice of different spring forces as well as the dimensioning of the cross-sectional openings of the slide valve can be used to divide the flow rate depending on the degree of the degree of undersupply resulting from the maximum flow rate of the pump (or pumps) in terms of priority between two or more consumers.
- the opening pressure of the pistons can, in addition to the springs as the actuating element, also be hydraulically, pneumatically or electromagnetically loaded Ram are effected, these solutions allow a simple change in the opening pressure even in the operating state of the machine.
- a combination of spring and plunger with a predetermined or predefinable distribution ratio of the forces which bring about the total opening pressure is also conceivable.
- the arrangement according to the invention has an equally advantageous effect if the hydraulic system is actuated in such a way that the full cross-section of the control slide is released for one consumer and the control cross-section to be released is continuously changed for one or optionally several other consumers. If, for example, as usual when operating a wheel loader, the hand lever for the lifting mechanism is pulled fully while the lever for the tipping mechanism is actuated depending on the current requirements of the material reception, the state described above is established.
- FIG. 1 shows a wheel loader 1, which consists essentially of the following components: a front end 2, a rear end 3, both of which are connected to one another via an articulated joint 4.
- a lifting frame 5 which carries a loading shovel 7 at its free end.
- the mast 5 can be raised and lowered via hydraulic cylinders 8 designed as consumers, while the bucket 7 can be tilted on and off by another consumer in the form of a hydraulic cylinder 9.
- FIG. 2 shows a hydraulic excavator 10 which has an uppercarriage 12 which is rotatable relative to an undercarriage 11, equipment consisting of boom 13 and stick 14 being articulated on the uppercarriage 12.
- the arm 14 in turn carries a pivotable loading shovel 15 at its free end.
- the boom 13 can be moved relative to the superstructure 12 by means of hydraulic cylinders 16, while the arm 14 can be actuated by means of a further cylinder 17.
- the pivoting movement of the loading shovel 15 relative to the arm 14 is also brought about by a hydraulic cylinder 18.
- the consumers 8, 9 according to FIG. 1 and the consumers 16-18 according to FIG. 2 are each supplied by one or more variable displacement pump (s), the total delivery flow of which is only one of the consumers (FIG. 1) or approximately two consumers ( Figure 2) corresponds. If, according to FIG. 1, both consumers 8.9 are now fully loaded, the flow rate provided by the pump is not sufficient to supply both consumers 8.9 with the required flow rate.
- the techniques known so far, but unsatisfactory in the case of insufficient supply, are set out in the introduction to the description. The essence of the invention is addressed in Figures 3 to 5.
- the hydraulic system shown in FIG. 3, which can be used, for example, for a wheel loader 1 according to FIG. 1, contains a single variable pump 20 equipped with a load-sensing controller 19, which is operatively connected to control slides 22, 23 via an inflow line 21.
- the spool 22,23 are provided with the same or different control cross sections A1 and A2 depending on the design.
- a compensator 26, 27 is connected downstream of the control slides 22, 23 via further lines 24, 25, which in this example contains a piston 28, 29 and a spring 30, 31 as an actuating element in a simplified representation.
- Other actuating elements such as hydraulically, pneumatically or electromagnetically actuatable plungers, can also be implemented.
- the compensators 26, 27 are operatively connected to the downstream consumers, here the hydraulic cylinders 8, 9 according to FIG. 1, via further lines 32, 33.
- the consumers 8,9 are subjected to different pressures p 1 and p 2 by the external forces acting on them. In the case of a wheel loader 1 or excavator 10, these are, for example, the lifting and tearing or digging forces when picking up material, in the case of a grader these can be the cutting forces acting on the coulter.
- variable displacement pump 20 When the control slide valve 22, 23 of the hydraulic system operating according to the load pressure-independent principle is actuated, the delivery flow of the variable displacement pump 20 is divided according to the invention in a predeterminable ratio by the opening pressures of the pistons 28, 29 being different due to differently selected forces of the springs 30, 31.
- the closing pressure of the piston 28 is thus composed of the highest consumer pressure p1 and the pressure p F1 which comes from the associated spring 30; that of the piston 29 is p1 plus p F2 , where p F1 and p F2 correspond to those pressures on the piston face which keep the respective spring force in equilibrium.
- the variable displacement pump 20 gives a normal flow to the consumer 8.9 as long as a delivery flow with a pressure sensing differential pressure p LS above the highest load pressure p 1 from p p as long as the released upon actuation of the control slide 22,23 Control cross sections A1, A2 are kept so small that the total flow rate is less than or at most equal to the maximum flow rate Q max of the variable displacement pump 20.
- Q 1S kx A 1S x ⁇ p p - (p1 + p F1 ) ⁇
- Q 2S kx A 2S x ⁇ p p - (p1 + p F2 ) ⁇ .
- the value k takes into account the physical quantities and the conversion factors of the flow equation as well as the number of jet contractions.
- variable displacement pump 20 is no longer able due to its design, which on the part of the control slides 22, 23 requested flow rates.
- the delivery flow supplied by the variable displacement pump 20 will then have a value with p x which is less than p LS above the highest load pressure p 1 and is therefore lower than the pump pressure p p when saturated. This is because the maximum oil flow Q max supplied by the variable displacement pump 20 now only requires a smaller pressure drop to pass through the cross sections A 1 and A 2.
- the flow rate Q max is now divided up
- Q1 kx A1 x ⁇ p x - p F1 ⁇ respectively.
- Q2 kx A2 x ⁇ p x - p F2 ⁇ .
- the arrangement according to the invention also has an advantageous effect if the hydraulic system is actuated in such a way that for a consumer, e.g. 8, the full tax cross section A 1 is released and the other consumer 9 of the tax cross section A 2 to be released is continuously changed.
- a consumer e.g. 8
- the full tax cross section A 1 is released and the other consumer 9 of the tax cross section A 2 to be released is continuously changed.
- an excavator 10 in which the hand levers for the boom 13 and the stick 14 are pulled fully while the loading bucket cylinder 18 is actuated variably.
- Figure 4 shows a graphical representation of the share Q2 of the consumer 9 in the total flow Q max according to Figure 1, assuming that the control cross section A1 for the consumer 8 is fully open in all operating states.
- the figure 4 is based on the assumption that the control cross section A1, A2 of each spool 22,23 is designed so that the maximum pump delivery flow Q max can pass at the given load sensing differential pressure p LS when operated alone.
- the percentage share Q2 of the throttled consumer 9 in the total flow rate Q max is plotted, while on the abscissa the ratio A2 / A 2max of the current opening cross section to the largest possible control cross section of the control slide 23 is shown.
- the determined preselected share ratio Q2 / Q max results in the two slides 22,23 in the fully open state from the determination of p LS , p F1 and p F2 .
- This ratio is selected according to the specific requirements of the respective machine.
- the control cross section A1 of the spool 22 is fully open.
- the total degree of supply V g of the system is defined with With increasing opening of the control cross section A2, which means an increasing degree of undersupply of the overall system, the degree of supply V2 of the consumer 9 decreases less than the degree of supply V1 of the consumer 8, ie the degree of priority of the consumer 9 increases with the degree of undersupply compared to that other consumers 8.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerung zur Aufteilung des durch mindestens eine Pumpe zur Verfügung gestellten Förderstromes bei Hydrauliksystemen auf mehrere Verbraucher nach dem lastdruckunabhängigen Prinzip bei Unterversorgung der Verbraucher durch den Förderstrom, insbesondere für Baumaschinen, wie Radlader, Grader, Bagger oder dgl.The invention relates to a controller for dividing the flow rate made available by at least one pump in hydraulic systems to several consumers according to the load pressure-independent principle in the event of a shortage of consumers by the flow rate, in particular for construction machines, such as wheel loaders, graders, excavators or the like.
Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen ist man vielfach gehalten, Hydraulikanlagen so zu dimensionieren, daß der Förderstrom der Pumpe (bzw. Pumpen) bei gleichzeitiger Einspeisung in zwei oder mehr Verbraucher nicht mehr ausreicht, jedem Verbraucher den auslegungsgemäß gewünschten Förderstrom zuzuführen. Dieser Zustand wird als Unterversorgung der einzelnen Verbraucher (z.B. Zylinder) definiert und ist beispielsweise auch bei der Auslegung von Baumaschinen, insbesondere Radladern, Gradern, Baggern oder dgl., gegeben, bei denen die Wahl der Pumpengröße so erfolgt, daß der Förderstrom die geforderten Verstellzeiten der gleichzeitig betätigten oder betätigbaren Zylinder nicht mehr gewährleisten kann, was sich beispielsweise am Hub- und Kippwerk bei einem Radlader verdeutlichen läßt.For economic and technical reasons, it is often necessary to dimension hydraulic systems so that the flow rate of the pump (or pumps) with simultaneous feeding into two or more consumers is no longer sufficient to supply the desired flow rate to each consumer. This state is defined as an undersupply of the individual consumers (e.g. cylinders) and is also given, for example, in the design of construction machines, in particular wheel loaders, graders, excavators or the like, in which the pump size is selected so that the flow rate is the required adjustment times the simultaneously actuated or actuatable cylinder can no longer guarantee what can be illustrated, for example, on the lifting and tipping mechanism in a wheel loader.
Bei einer derartigen gegebenen Unterversorgung muß nun bei der Auslegung der Hydraulikanlage entschieden werden, in welchem Maße der vorhandene Förderstrom auf die einzelnen Verbraucher aufgeteilt wird. Hydraulikanlagen mit Steuerschiebern nach dem Drosselprinzip sind nicht imstande, einen Förderstrom bei durchgeschalteten Schieberkolben aufzuteilen, da bereits bei einer geringen Druckdifferenz zwischen den Verbrauchern dem niedriger belasteten der gesamte Förderstrom zufließt.Given such an undersupply, it must now be decided when designing the hydraulic system to what extent the existing flow rate is distributed among the individual consumers. Hydraulic systems with control spools based on the throttle principle are not able to divide a flow rate when the spool is switched through, since even with a small pressure difference between the consumers, the lower flow rate flows to the entire flow rate.
Das lastdruckunabhängige (load sensing) System bietet hingegen die Möglichkeit, den Förderstrom nach gewissen Kriterien auf die einzelnen Verbraucher aufzuteilen. Um bei den bei dem jeweiligen Anwendungsfall gegebenen Verhältnissen den günstigsten Bewegungsablauf der durch die hydraulischen Verbraucher (z.B. Zylinder) betätigten Bauteile, wie z.B Hubrahmen, Ausleger, usw. zu erhalten, ist es erforderlich, den Förderstrom in einem bestimmten Verhältnis aufzuteilen.The load pressure-independent system (load sensing), on the other hand, offers the option of distributing the flow rate to the individual consumers according to certain criteria. In order to obtain the most favorable movement sequence of the components operated by the hydraulic consumers (for example cylinders), such as lifting frames, booms, etc., given the circumstances in the respective application, it is necessary to divide the flow rate in a certain ratio.
Bekannt sind bisher Lösungen, bei denen je nach Ausführungsform eine von äußeren Bedingungen abhängige oder feste Aufteilung gegeben ist. Dies gilt u.a. für folgende Ausführungsformen:
Druckwaagen, parallel geschaltet im Zulauf zu jedem Steuerkolben (O + P Ölhydraulik und Pneumatik, 35 (1991) Nr. 9, Seiten 717 bis 723 - Regelung hydraulischer Antriebe mit veränderlichem Versorgungsdruck). Bei Unterversorgung fließt dem Verbraucher mit dem geringeren Druckbedarf bei steigendem Differenzdruck zwischen den Verbrauchern ein zunehmend höherer Anteil des Förderstromes zu. Bei einem 50 %-igen Versorgungsgrad zweier Verbraucher mit gleicher Nenndurchflußmenge erhält der niedriger druckbelastete Verbraucher bereits bei einer dem Druckwaagenregeldruck entsprechenden Druckdifferenz zum höher belasteten Verbraucher den gesamten Förderstrom. Da der Druckwaagenregeldruck in der Größenordnung von 5-20 bar liegt, wird demnach schon bei geringen wechselnden Druckunterschieden der gesamte Förderstrom jeweils einem anderen Verbraucher zufließen.So far, solutions are known in which, depending on the embodiment, there is a fixed or dependent division depending on external conditions. This applies to the following embodiments, among others:
Pressure compensators, connected in parallel to each control piston (O + P oil hydraulics and pneumatics, 35 (1991) No. 9, pages 717 to 723 - control of hydraulic drives with variable supply pressure). In the event of undersupply, the consumer, with the lower pressure requirement and increasing differential pressure between the consumers, receives an increasingly higher proportion of the delivery flow. With a 50% supply ratio of two consumers with the same nominal flow rate, the lower pressure-loaded consumer receives the entire flow rate at a pressure difference corresponding to the pressure compensator control pressure compared to the higher-loaded consumer. Since the pressure compensator pressure is of the order of 5-20 bar, the entire flow rate will flow to a different consumer, even with slight changing pressure differences.
Prioritätsdruckwaagen, hintereinander geschaltet im Zulauf zu jedem Steuerschieber. Bei gleichzeitiger Betätigung von zwei oder mehr Verbrauchern erhält im Verlauf des Pumpenkanals derjenige, welcher der Pumpe näher liegt, jeweils die Sollmenge, während der Reststrom den weiteren Verbrauchern angeboten wird. Bei einem 50 %-igen Versorgungsgrad zweier Verbraucher mit gleicher Nenndurchflußmenge erhält daher der dem Pumpenanschluß im Schieber zunächst liegende Verbraucher den vollen Förderstrom (off highway capability - wheeled loaders der Fa. Vickers).Priority pressure compensators, connected in series to each spool. If two or more consumers are operated at the same time, the one closer to the pump receives the desired quantity in the course of the pump channel, while the residual current is offered to the other consumers. With a 50% supply ratio of two consumers with the same nominal flow rate, the consumer initially located in the slide valve's pump connection therefore receives the full flow (off highway capability - wheeled loaders from Vickers).
Lastdruckunabhängige Durchflußverteilung (LUDV) infolge eines jedem Steuerschieber nachgeschalteten Kompensators, dessen bisher bekanntes System im wesentlichen aus Kolben und Feder besteht. Hierbei erhält jeder Verbraucher je nach Grad der Unterversorgung einen anteilig geringeren Förderstrom. Bei einem 50 %-igen Versorgungsgrad erhält bei zwei Verbrauchern demnach jeder 50 % seiner Nennmenge unabhängig davon, ob die Verbraucher auf gleiche oder ungleiche Nenndurchflußmenge ausgelegt sind (Katalog Mannesmann Rexroth - RD 64001/04.92, Seiten 163 bis 166 - load sensing Steuerblock Baureihe M7 mit LUDV in Mischbauart Mono + Sandwich).Flow pressure-independent flow distribution (LUDV) as a result of a compensator connected downstream of each control slide, whose previously known system essentially consists of a piston and spring. Depending on the degree of undersupply, each consumer receives a proportionately lower flow rate. With a 50% supply level, two consumers each receive 50% of their nominal volume regardless of whether the consumers are designed for the same or different nominal flow rate (Catalog Mannesmann Rexroth - RE 64001 / 04.92, pages 163 to 166 - load sensing control block series M7 with LUDV in mixed design mono + sandwich).
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, die eingangs beschriebene Steuerung so auszubilden, daß die Anforderungen an die Arbeitshydraulik, insbesondere von Baumaschinen, dergestalt erfüllt werden, daß bei Unterversorgung das Verhältnis bei gleichzeitiger Betätigung von zwei oder mehr Verbrauchern der diesen zufließenden Förderströme anders ist als das Verhältnis der Nenndurchflußmengen dieser Verbraucher, wobei dieses Verhältnis auch unbeeinflußt von den Last-(Zylinder-)Drücken sein soll.The aim of the subject matter of the invention is to design the control system described in the introduction in such a way that the requirements placed on the working hydraulics, in particular of construction machinery, are met in such a way that, in the event of an insufficient supply, the ratio, with the simultaneous actuation of two or more consumers, of the flow rates flowing to them is different than the ratio the nominal flow rates of these consumers, this ratio should also be unaffected by the load (cylinder) pressures.
Dieses Ziel wird bei einer Steuerung zur Aufteilung des durch mindestens eine Pumpe zur Verfügung gestellten Förderstromes bei Hydrauliksystemen auf mehrere Verbraucher nach dem lastdruckunabhängigen Prinzip bei Unterversorgung der Verbraucher, insbesondere für Baumaschinen, wie Radlader, Grader, Bagger oder dgl., dadurch erreicht, daß einem jeden einen vorgebbaren Steuerquerschnitt aufweisenden Steuerschieber ein im wesentlichen aus Kolben und Betätigungselement bestehender Kompensator nachgeschaltet ist und jeder dem Kompensator nachgeschaltete Verbraucher in Abhängigkeit vom Grad der Unterversorgung einen vorgebbaren Anteil des Förderstromes erhält, indem die Kolben der Kompensatoren durch unterschiedlich ausgeübte Kräfte ihrer Betätigungselemente die Durchtrittsquerschnitte zu den Verbrauchern mit unterschiedlichen öffnungsdrücken freigeben.This goal is achieved in a control system for distributing the flow rate provided by at least one pump in hydraulic systems to several consumers according to the load pressure-independent principle in the event of a shortage of consumers, in particular for construction machinery, such as wheel loaders, graders, excavators or the like, in that one Each control slide valve having a predeterminable control cross section is followed by a compensator consisting essentially of a piston and actuating element, and each consumer connected downstream of the compensator receives a predeterminable proportion of the flow rate depending on the degree of undersupply by the pistons of the compensators closing the passage cross sections due to the differently exerted forces of their actuating elements release to consumers with different opening pressures.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous further developments of the subject matter of the invention can be found in the subclaims.
Um die erfindungsgemäße vorgebbare Aufteilung der Förderströme zu erreichen, wird ein Steuerschieber nach dem lastdruckunabhängigen (load sensing) Prinzip mit nachgeschalteten Kompensatoren gewählt, wobei der Öffnungsdruck der Kolben beispielsweise durch unterschiedlich gewählte Kräfte der Federn verschieden ist. Somit läßt sich über die Wahl unterschiedlicher Federkräfte sowie die Dimensionierung der Querschnittsöffnungen der Schieber der Förderstrom in Abhängigkeit vom Maß des durch den maximalen Förderstrom der Pumpe (bzw. Pumpen) sich ergebenden Grades der Unterversorgung im Sinne einer Priorität zwischen zwei oder mehr Verbrauchern beliebig aufteilen.In order to achieve the predefinable distribution of the flow rates according to the invention, a control slide is selected according to the load pressure-independent principle (load sensing) with downstream compensators, the opening pressure of the pistons being different, for example, from differently selected spring forces. Thus, the choice of different spring forces as well as the dimensioning of the cross-sectional openings of the slide valve can be used to divide the flow rate depending on the degree of the degree of undersupply resulting from the maximum flow rate of the pump (or pumps) in terms of priority between two or more consumers.
Der Öffnungsdruck der Kolben kann neben den Federn als Betätigungselement auch durch hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch belastete Stößel bewirkt werden, wobei diese Lösungen auf einfache Weise eine Veränderung des Öffnungsdruckes auch im Betriebszustand der Maschine erlauben. Ebenfalls denkbar ist eine Kombination aus Feder und Stößel mit einem vorgegebenen bzw. vorgebbaren Aufteilungsverhältnis der Kräfte, welche den Gesamtöffnungsdruck bewirken.The opening pressure of the pistons can, in addition to the springs as the actuating element, also be hydraulically, pneumatically or electromagnetically loaded Ram are effected, these solutions allow a simple change in the opening pressure even in the operating state of the machine. A combination of spring and plunger with a predetermined or predefinable distribution ratio of the forces which bring about the total opening pressure is also conceivable.
Infolge der sich in Abhängigkeit der Betätigung der Steuerschieber ergebenden Prioritäten, können vorteilhafterweise sich einander überlagernde Bewegungen durchgeführt werden, die den Bedienkomfort der jeweiligen Maschine erheblich verbessern. Ebenso vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Anordnung aus, falls die Hydraulikanlage so betätigt wird, daß für einen Verbraucher der volle Querschnitt des Steuerschiebers freigegeben wird und für einen oder wahlweise auch mehrere andere Verbraucher der freizugebende Steuerquerschnitt laufend verändert wird. Wird beispielsweise wie bei der Bedienung eines Radladers üblich der Handhebel für das Hubwerk voll durchgezogen, während der Hebel für das Kippwerk je nach den augenblicklichen Erfordernissen der Materialaufnahme betätigt wird, stellt sich der vorab beschriebene Zustand ein.As a result of the priorities arising as a function of the actuation of the control slide, mutually overlapping movements can advantageously be carried out, which considerably improve the ease of use of the respective machine. The arrangement according to the invention has an equally advantageous effect if the hydraulic system is actuated in such a way that the full cross-section of the control slide is released for one consumer and the control cross-section to be released is continuously changed for one or optionally several other consumers. If, for example, as usual when operating a wheel loader, the hand lever for the lifting mechanism is pulled fully while the lever for the tipping mechanism is actuated depending on the current requirements of the material reception, the state described above is established.
Bei einem Bagger wäre der vorab beschriebene Vorgang der Bewegungsüberlagerung beispielsweise dann gegeben, wenn gleichzeitig die Zylinder für Ausleger, Stiel und Löffel betätigt würden.In the case of an excavator, the above-described process of superimposing motion would be given, for example, if the cylinders for the boom, stick and bucket were actuated at the same time.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1 -
- Prinzipskizze eines Radladers
- Figur 2 -
- Prinzipskizze eines Baggers
- Figur 3 -
- Prinzipskizze eines LUDV-Schiebers mit den erfindungsgemäßen Merkmalen
- Figur 4 -
- graphische Darstellung der Aufteilung des Förderstromes für einen der Verbraucher gemäß
Figur 1 - Figur 5 -
- graphische Darstellung der Versorgungsgrade von zwei Verbrauchern sowie des Gesamtsystems.
- Figure 1 -
- Sketch of a wheel loader
- Figure 2 -
- Principle sketch of an excavator
- Figure 3 -
- Schematic diagram of a LUDV slide with the features according to the invention
- Figure 4 -
- graphic representation of the distribution of the flow for one of the consumers according to FIG. 1
- Figure 5 -
- graphic representation of the supply levels of two consumers and the overall system.
Figur 1 zeigt einen Radlader 1, der im wesentlichen aus folgenden Bauteilen besteht:
einem Vorderwagen 2, einem Hinterwagen 3, die beide über ein Knickgelenk 4 miteinander verbunden sind. Im Bereich des Vorderwagens 2 ist ein Hubgerüst 5 vorgesehen, das an seinem freien Ende eine Ladeschaufel 7 trägt. Das Hubgerüst 5 ist über als Verbraucher ausgebildete Hydraulikzylinder 8 heb-und senkbar, während die Schaufel 7 durch einen weiteren Verbraucher in Form eines Hydraulikzylinders 9 an- und auskippbar ist.Figure 1 shows a
a
Figur 2 zeigt einen Hydraulikbagger 10, der einen gegenüber einem Unterwagen 11 drehbaren Oberwagen 12 aufweist, wobei am Oberwagen 12 eine aus Ausleger 13 und Stiel 14 bestehende Ausrüstung angelenkt ist. Der Stiel 14 wiederum trägt an seinem freien Ende eine schwenkbare Ladeschaufel 15. Der Ausleger 13 ist über Hydraulikzylinder 16 gegenüber dem Oberwagen 12 bewegbar, während der Stiel 14 mittels eines weiteren Zylinders 17 betätigbar ist. Die Schwenkbewegung der Ladeschaufel 15 gegenüber dem Stiel 14 wird ebenfalls durch einen Hydraulikzylinder 18 herbeigeführt.FIG. 2 shows a
Die Verbraucher 8,9 gemäß Figur 1 und die Verbraucher 16-18 gemäß Figur 2 werden jeweils durch eine oder mehrere nicht weiter dargestellte Verstellpumpe(n) versorgt, deren gesamter Förderstrom der Nenndurchflußmenge lediglich eines der Verbraucher (Figur 1) bzw. etwa zweier Verbraucher (Figur 2) entspricht. Werden gemäß Figur 1 nun beide Verbraucher 8,9 voll beaufschlagt, so reicht der durch die Pumpe zur Verfügung gestellte Förderstrom nicht aus, um beide Verbraucher 8,9 mit dem jeweils geforderten Förderstrom zu versorgen. Die bisher bekannten, aber bei Unterversorgung unbefriedigenden Techniken sind in der Beschreibungseinleitung dargelegt. Das Wesen der Erfindung ist in den Figuren 3 bis 5 angesprochen.The
Das in Figur 3 dargestellte, z.B. für einen Radlader 1 gemäß Figur 1, verwendbare Hydrauliksystem beinhaltet eine einzelne mit einem Load-Sensing-Regler 19 ausgerüstete Verstellpumpe 20, die über eine Zuflußleitung 21 mit Steuerschiebern 22,23 in Wirkverbindung steht. Die Steuerschieber 22,23 sind mit je nach Auslegung gleichen oder unterschiedlichen Steuerquerschnitten A₁ und A₂ versehen. Über weitere Leitungen 24,25 ist den Steuerschiebern 22,23 jeweils ein Kompensator 26,27 nachgeschaltet, der in diesem Beispiel in vereinfachter Darstellung einen Kolben 28,29 und eine Feder 30,31 als Betätigungselement beinhaltet. Andere Betätigungselemente, wie z.B. hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch betätigbare Stößel, sind ebenfalls ausführbar. Über weitere Leitungen 32,33 stehen die Kompensatoren 26,27 mit den nachgeschalteten Verbrauchern, hier die Hydraulikzylinder 8,9 gemäß Figur 1 dargestellt, in Wirkverbindung. Die Verbraucher 8,9 werden hierbei mit unterschiedlichen Drücken p₁ und p₂ durch die auf sie wirkenden äußeren Kräfte beaufschlagt. Bei einem Radlader 1 oder Bagger 10 sind dies beispielsweise die Hub- und Reiß- bzw. Grabkräfte bei der Materialaufnahme, bei einem Grader können dies die auf die Schar einwirkenden Schnittkräfte sein.The hydraulic system shown in FIG. 3, which can be used, for example, for a
Bei Betätigung der Steuerschieber 22,23 des nach dem lastdruckunabhängigen Prinzip arbeitenden Hydrauliksystems wird erfindungsgemäß der Förderstrom der Verstellpumpe 20 in einem vorgebbaren Verhältnis aufgeteilt, indem die Öffnungsdrücke der Kolben 28,29 durch unterschiedlich gewählte Kräfte der Federn 30,31 verschieden sind.When the
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems sind hier lediglich zwei Verbraucher 8,9 dargestellt, deren Anzahl jedoch auch höher sein kann, wie z.B. bei Baggern oder Gradern. Gleiches gilt auch für die Anzahl der gemeinsam in die Zuflußleitung 21 einspeisenden Pumpen. Der jeweils höchste Verbraucherdruck (in diesem Beispiel p₁ ) wird über ein Wechselventil 34 über die Leitung 35 dem Regler 19 der Verstellpumpe 20 gemeldet. Desweiteren wird der höchste Druck p₁ auch über die Leitung 36 auf die Federseite der Kolben 28,29 übertragen. Der Schließdruck des Kolbens 28 setzt sich somit zusammen aus dem höchsten Verbraucherdruck p₁ und dem Druck pF1 der von der zugehörigen Feder 30 stammt; der des Kolbens 29 liegt bei p₁ plus pF2, wobei pF1 und pF2 jenen Drücken auf der Kolbenstirnseite entsprechen, welche der jeweiligen Federkraft das Gleichgewicht halten. Die Verstellpumpe 20 gibt bei normaler Versorgung der Verbraucher 8,9 solange einen Förderstrom mit einen um den load sensing Differenzdruck pLS über dem höchsten Lastdruck p₁ liegenden Druck pp ab, solange die bei Betätigung der Steuerschieber 22,23 freigegebenen Steuerquerschnitte A₁, A₂ so klein gehalten werden, daß der gesamte Förderstrom kleiner oder höchstens gleich dem maximalen Förderstrom Qmax der Verstellpumpe 20 ist. Jeder der Verbraucher 8,9 erhält bis zur Sättigungsgrenze die durch den Querschnitt A₁, A₂ vorgegebene Sollmenge Q1S, Q2S, die sich für den Verbraucher 8 errechnet mit
Analog ist der Wert für den Verbraucher 9
For a better understanding of the hydraulic system according to the invention, only two
The value for the consumer is analogous to 9
Im Wert k sind die physikalischen Größen und die Umrechnungsfaktoren der Strömungsgleichung sowie die Strahlkontraktionszahl berücksichtigt. Der sich am jeweiligen Steuerquerschnitt A₁, A₂ einstellende, die Durchflußmenge bestimmende Differenzdruck beträgt daher
bzw.
The value k takes into account the physical quantities and the conversion factors of the flow equation as well as the number of jet contractions. The resulting at the respective control cross section A₁, A₂, which determines the flow rate differential pressure
respectively.
Weil jedoch bei Sättigung auch für beide Verbraucher gleichermaßen gilt:
werden die Ölströme zu den Verbrauchern 8,9
bzw.
Because, however, the same applies to both consumers when saturated:
the oil flows to consumers are 8.9
respectively.
Im Sättigungspunkt ist daher der maximale von der Verstellpumpe 20 lieferbare Förderstrom gleich
At the saturation point, the maximum delivery flow that can be delivered by the
Werden nun durch eine weitere Betätigung der Steuerschieber 22,23 die frei gegebenen Querschnitte A₁ und A₂ weiter vergrößert, so tritt der Zustand der Unterversorgung ein, da die Verstellpumpe 20 aufgrund ihrer Auslegung nun nicht mehr in der Lage ist, die seitens der Steuerschieber 22,23 angeforderten Förderströme aufzubringen. Der von der Verstellpumpe 20 gelieferte Förderstrom wird mit px dann einen Wert aufweisen, der um weniger als pLS über dem höchsten Lastdruck p₁ liegt und daher niedriger als der Pumpendruck pp bei Sättigung ist. Dies aus dem Grund, weil der von der Verstellpumpe 20 gelieferte maximale Ölstrom Qmax jetzt zum Durchtritt durch die Querschnitte A₁ und A₂ nur ein geringeres Druckgefälle benötigt. Der Förderstrom Qmax teilt sich nun auf nach
bzw.
If the released
respectively.
War das Verhältnis der Förderströme bei Sättigung
ist es bei Unterversorgung
d.h. bei Unterversorgung fließt mit Q₂ ein größerer Teil des Ölstroms dem Verbraucher 9 zu, der über den Kompensator 27 mit der geringeren Federkraft und damit mit dem Öffnungsdruck pF2 des Kolbens 29 versorgt wird.Was the ratio of the flow rates at saturation
it is with undersupply
ie in the event of undersupply, a larger part of the oil flow flows to the
Ein Zahlenbeispiel soll die vorstehenden theoretischen Annahmen verdeutlichen. Wird zur Vereinfachung der Rechnung angenommen, daß A2S gleich A1S ist und dieses Verhältnis 1:1 auch bei weiterer Schieberöffnung beibehalten wird, so daß auch A₂ gleich A₁ bleibt, dann gilt bei folgender Auslegung von Pumpenregler 19 und Kompensatoren 28,29 folgendes:
- load sensing Differenzdruck: pLS = 14 bar
- Öffnungsdruck durch Federkraft: pF1 = 10 bar
- Öffnungsdruck durch Federkraft: pF2 = 4 bar.
- load sensing differential pressure: p LS = 14 bar
- Opening pressure by spring force: p F1 = 10 bar
- Opening pressure by spring force: p F2 = 4 bar.
Das Aufteilungsverhältnis Q2S:Q1S ergibt sich demzufolge bei Sättigung
Sinkt nun der Versorgungsgrad durch entsprechende weitere Querschnittsfreigabe A₁ und A₂ soweit ab, daß bereits bei einem Überdruck von z.B. px = 11 bar über dem höchsten Lastdruck p₁ der gesamte Förderstrom den Verbrauchern 8 und 9 zufließen kann, so ergibt sich als Aufteilungsverhältnis
Es fließt also wunschgemäß mit Q₂ ein höherer Anteil des Förderstromes Qmax dem Verbraucher 9 zu.The distribution ratio Q 2S : Q 1S is therefore given with saturation
Now decreases the degree of supply by corresponding further cross-sectional approval A₁ and A₂ from the fact that even at an overpressure of, for example, p x = 11 bar above the highest load pressure p₁, the total flow can flow to
It flows as desired with Q₂ a higher proportion of the flow rate Q max to the
Man kann nun durch weitere Änderung der Steuerquerschnitte A₁ und A₂ zu einer Stellung gelangen, bei der Vollpriorität für den Verbraucher 9 gegeben ist, d.h. diesem der gesamte Förderstrom Qmax zufließt. Dies ist dann der Fall, wenn der Grad der Unterversorgung so hoch wird, daß der Pumpenüberdruck px auf den Wert pF1 sinkt, weil dann der Kompensator 26 für den Verbraucher 8 nicht mehr öffnet. Dann gilt
Dies ist der Fall bei Q₁ gleich 0 l/min.You can now reach a position by further changing the control cross-sections A₁ and A₂, in which full priority is given to the
This is the case with Q₁ equal to 0 l / min.
Somit läßt sich beispielsweise über die Wahl unterschiedlicher Federkräfte sowie die Dimensionierung der Steuerquerschnitte A₁, A₂ der Schieber 22,23 der Förderstrom in Abhängigkeit vom Maß des durch den maximalen Förderstrom der Verstellpumpe 20 sich ergebenden Grades der Unterversorgung der Förderstrom im Sinne einer Priorität zugunsten des Verbrauchers 9 gegenüber dem Verbraucher 8 beliebig aufteilen.Thus, for example, the choice of different spring forces and the dimensioning of the control cross-sections A 1, A 2 of the
Im Vorstehenden wurde dargestellt, wie sich das Aufteilungsverhältnis bei gleichzeitiger Veränderung der Durchtrittsquerschnitte ergibt. Ebenso vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Anordnung aus, fall die Hydraulikanlage so betätigt wird, daß für einen Verbraucher, z.B. 8, der volle Steuerquerschnitt A₁ freigegeben wird und bei dem anderen Verbraucher 9 der freizugebende Steuerquerschnitt A₂ laufend verändert wird. Dies trifft z.B. speziell auf Baumaschinen, insbesondere auf die Betriebsweise eines Radladers, zu, bei dem der Handhebel für den Hubrahmenzylinder 8 voll durchgezogen wird, während der Hebel für den Kippwerkzylinder 9 in Abhängigkeit der augenblicklichen Erfordernisse der Materialaufnahme betätigt wird. Analoges gilt für den Betrieb eines Baggers 10, bei dem die Handhebel für den Ausleger 13 und den Stiel 14 voll durchgezogen werden, während der Ladeschaufelzylinder 18 variabel betätigt wird.In the foregoing, it was shown how the distribution ratio results with a simultaneous change in the passage cross sections. The arrangement according to the invention also has an advantageous effect if the hydraulic system is actuated in such a way that for a consumer, e.g. 8, the full tax
Figur 4 zeigt in graphischer Darstellung den Anteil Q₂ des Verbrauchers 9 am gesamten Förderstrom Qmax gemäß Figur 1, unter der Annahme, daß der Steuerquerschnitt A₁ für den Verbraucher 8 in allen Betriebszuständen voll geöffnet ist. Der Figur 4 liegt die Annahme zugrunde, daß der Steuerquerschnitt A₁, A₂ eines jeden Steuerschiebers 22,23 so ausgelegt ist, daß bei alleiniger Betätigung der maximale Pumpenförderstrom Qmax beim gegebenen load sensing Differenzdruck pLS durchtreten kann. In der Ordinate ist der prozentuale Anteil Q₂ des gedrosselten Verbrauchers 9 am Gesamtförderstrom Qmax aufgetragen, während auf der Abszisse das Verhältnis A₂/A2max des momentanen Öffnungsquerschnittes zum größtmöglichen Steuerquerschnitt des Steuerschiebers 23 dargestellt ist.Figure 4 shows a graphical representation of the share Q₂ of the
Das bestimmte vorgewählte Anteilsverhältnis Q₂/Qmax (wobei sich über die Beziehung
als Parameter aufgetragen.The determined preselected share ratio Q₂ / Q max (where the relationship
plotted as a parameter.
Bei den bekannten Systemen mit lastdruckunabhängiger Durchflußverteilung, abgekürzt als LUDV bezeichnet, d.h. mit zwei gleich starken Federn (
und damit eine Aufteilung bei maximalem Steuerquerschnitt A2max von
and thus a division with maximum control cross section A 2max of
Bei lastdruckunabhängigen Systemen erfindungsgemäßer Bauart, d.h. mit zwei unterschiedlich stark ausgebildeten Federn 12,13 und 50 %-iger Unterversorgung der Verbraucher 8,9 mit gleich großen Nenndurchflußmengen errechnet sich beispielsweise
Die Aufteilung bei A2max beträgt jetzt
Bei zunehmender Vergrößerung von W erhöht sich der Anteil des dem Verbraucher 9 zufließenden Förderstromes Q₂ am Gesamtförderstrom Qmax bis hin zum theoretischen Wert
The division at A 2max is now
As W increases, the proportion of the flow Q₂ flowing to the
Die zwischen der oberen (
Mit zunehmender Verringerung des Steuerquerschnittes A₂ unter Beibehaltung des maximalen Steuerquerschnittes A₁ wird sich der Anteil des Ölstromes Q₂ gemäß den dargestellten Kurvenzügen ändern. Diese Verläufe errechnen sich aus der Strömungsgleichung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Grad der Versorgung, der nach Darstellung der Figur 4 bei beiden Steuerquerschnitten A₁, A₂ im ganz geöffneten Zustand bei 50 % liegt, bei Verringerung des Steuerquerschnittes A₂ auf höhere Werte ansteigt. Dies deshalb, weil die Sollmenge für den Verbraucher 8 dabei unverändert bleibt, für den Verbraucher 9 hingegen wegen der Verringerung des Steuerquerschnittes A₂ sinkt. Bezogen auf den unverändert bleibenden Pumpenförderstrom Qmax ergibt sich somit ein höherer Versorgungsgrad des Verbrauchers 8, d.h. ein geringeres Maß an Unterversorgung.With increasing reduction in the control cross section A₂ while maintaining the maximum control cross section A₁, the proportion of the oil flow Q₂ will change according to the curves shown. These curves are calculated from the flow equation, taking into account the fact that the degree of supply, which according to FIG. 4 is 50% in both control cross sections A 1, A 2 in the fully open state, increases to higher values when the control
Die Versorgungsgrade, jeweils definiert als das Verhältnis des Ist- zum Sollförderstrom, sind für einen angenommenen Pumpenförderstrom von Qmax = 100 l/min und dem im Vorstehenden beispielhaft angenommenen Wert von W = 1,5 in Abhängigkeit vom Verhältnis des Öffnungsquerschnittes A₂/A2max des Steuerschiebers 23 in Figur 5 aufgetragen. Der Steuerquerschnitt A₁ des Steuerschiebers 22 ist dabei voll geöffnet.The degrees of supply, each defined as the ratio of the actual to the target flow, are for an assumed pump flow of Q max = 100 l / min and the value of W = 1.5 assumed in the above as a function of the ratio of the opening cross section A₂ / A 2max of the control slide 23 in Figure 5. The control cross section A₁ of the
Für den Versorgungsgrad V₂ des Verbrauchers 9 gilt
sowie für den Versorgungsgrad V₁ des Verbrauchers 8
Der Gesamtversorgungsgrad Vg des Systems ist definiert mit
Mit zunehmenden Öffnen des Steuerquerschnittes A₂, was einen ansteigenden Grad der Unterversorgung des Gesamtsystems bedeutet, sinkt der Versorgungsgrad V₂ des Verbrauchers 9 weniger ab als der Versorgungsgrad V₁ des Verbrauchers 8, d.h. der Grad der Priorität des Verbrauchers 9 steigt mit dem Grad der Unterversorgung gegenüber dem anderen Verbraucher 8 an.For the degree of supply V₂ of the
and for the degree of supply V₁ of the consumer 8th
The total degree of supply V g of the system is defined with
With increasing opening of the control cross section A₂, which means an increasing degree of undersupply of the overall system, the degree of supply V₂ of the
Diese Werte in Figur errechnen sich gemäß folgender Tabelle:
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