Elektrohydraulische Steuerung zum Steuern eines hydraulischen Antriebes

Abstract

 Zur Steuerung eines Hydraulikzylinders mit doppelseitig wirkendem Arbeitskolben wird wenigstens ein Steuerventil mit einseitig federbelastetem Steuerschieber benutzt, der durch einen Servomotor gegen die Federkraft auslenkbar ist. Bei der neuen Steuerung sind in einem einteiligen oder mehrteiligen Ventilgehäuse (1) wenigstens je ein jedem Druckraum (16, 16a) des Hydraulikzylinders (15) zugehöriges Steuerventil vorgesehen, deren Steuerschieber (2, 2a) koaxial und spiegelbildlich zueinander mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei dient ein zwischen den inneren Enden der Steuerschieber (2, 2a) befindliches gemeinsames Steuerelement (19, 20) des Servomotors (17) zur gleichsinnigen Bewegung der beiden Steuerschieber (2, 2a). Ferner enthält jeder Steuerschieber (2, 2a) in je einem Druckraum (26, 26a) je einen Hilfskolben (8, 8a), wobei die Druckräume (26, 26a) über ein Schaltventil (24) beaufschlagbar und dadurch die Steuerschieber (2, 2a) in eine inaktive Stellung bewegbar sind, in der sie der Einwirkung des Steuerelements (19, 20) des Servomotors (17) entzogen sind. Diese inaktive Stellung ist als "Not-Stop-Funktion" aus jeder Schaltstellung der Steuerschieber (2, 2a) direkt ansteuerbar. Außerdem kann in der inaktiven Stellung der Servomotor (17) in seine Null- bzw. Mittelstellung gefahren und ausgerichtet werden, ohne daß Bewegungen des Kolbens des Hydraulikzylinders (15) damit verbunden sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuerung zum Steuern eines hydraulischen Antriebes wie beispielsweise ein Hydraulikzylinder, in dem ein doppelseitig wirkender Arbeitskolben auf seinen entgegengesetzten Seiten je einen Druckraum begrenzt, enthaltend wenigstens ein Steuerventil mit einseitig federbelastetem Steuerschieber, der aus seiner Ruhestellung gegen die Federkraft auslenkbar ist, und einen Servomotor zum Ansteuern des Steuerschiebers.

[0002] Für die Bildung elektrohydraulischer Steuerungen benutzt man in der Regel direkt gesteuerte Regelventile, die auch als elektrohydraulische Stetigventile bezeichnet werden. Ein solches Regelventil enthält im Ventilgehäuse einen federbelasteten Steuerschieber, an dem alle erforderlichen Steuerkanten angeordnet sind. Diese Steuerkanten müssen "fertigungstechnisch" abgeglichen sein; sie sind nachträglich auch nicht teilweise gegeneinander einstellbar. Durch die Einwirkung einer Rückstellfeder wird der Steuerschieber in einer mechanisch begrenzten Endstellung gehalten, die zugleich die sogenannte "Not-Stop-Funktion" darstellt. Aus dieser Endstellung heraus ist der Steuerschieber durch die Kraft eines Hubmagneten (Steuermagnet) in die verschiedenen Ventilstellungen bewegbar, um das jeweils gewünschte Hydrauliksymbol zu erhalten. Das Ausmaß der Hubbewegung des Steuermagneten (Sollwert) wird über ein Wegmeßsystem erfaßt. Bei geeigneter Ansteuerung kann mit einer solchen Anordnung ein Regelkreis aufgebaut werden.

[0003] Bei einem solchen direkt gesteuerten Regelventil ist die Mittellage nicht direkt abgreifbar, sondern nur mittelbar über das Verhalten des zu steuernden Verbrauchers zu bestimmen. Dies ist äußerst unbefriedigend, denn es führt beim Einrichten bzw. Einschalten des Regelventils zu ungewollten und unkontrollierten Bewegungen des angeschlossenen Verbrauchers.

[0004] Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die sogenannte "Not-Stop-Funktion" (Regelventil inaktiv) nicht separat ansteuerbar ist, sondern nur durch Wegnahme des Sollwertgebers möglich ist. Da jedoch die Lage des Steuerschiebers bei der mechanischen Endlage nicht identisch ist mit der Mittelstellung des Regelventils (ausgeregelter Zustand), werden bei der Einstellung der "Not-Stop-Funktion" immer eine oder mehrere Symbolstellungen des Regelventils überfahren. Dies führt zwangsläufig zu ungewollten und unkontrollierbaren Bewegungen am Verbraucher. Ferner entstehen beim Abschalten aus einem der möglichen Regelzustände mit größerer Sollwertvorgabe unzulässig hohe Verzögerungen am Verbraucher, womit die Gefahr von Schäden im Hydrauliksystem verbunden ist. Um diesen negativen Auswirkungen zu begegnen, ist man dazu übergegangen, zusätzliche Vorkehrungen zu treffen, indem man in der Druckmittelzufuhrleitung ein separates "Not-Stop-Ventil" und/oder Sicherheitsdruckventile in den Verbraucherleitungen eingebaut hat.

[0005] Die Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Steuerung zu schaffen, bei der das Steuerventil unabhängig von der jeweiligen Vorgabe des Servomotors zum Ansteuern des Steuerventils aktivierbar ist. Dabei soll das Einstellen des Steuerventils in die Stellungen "aktiv" bzw. "inaktiv" gegenüber der Sollwertvorgabe stets Priorität haben. Ferner soll die Steuerung so beschaffen sein, daß bei Neueinschaltung der Anordnung die Sollwertvorgabe unabhängig von der Stellung des Steuerventils ausgerichtet werden kann, d.h. es soll möglich sein, den Servomotor in die Null-Stellung zu fahren, ohne daß irgendwelche Bewegungen des Verbrauchers damit verbunden sind.

[0006] Diese Aufgabe wird ausgehend von einer elektrohydraulischen Steuerung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem einteiligen oder mehrteiligen Ventilgehäuse wenigstens je ein je einem Druckraum des Hydraulikzylinders zugehöriges Steuerventil vorgesehen ist, deren Steuerschieber koaxial spiegelbildlich zueinander mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind, daß zwischen den inneren Enden der Steuerschieber ein gemeinsames Steuerelement eines Servomotors sich befindet, mittels dessen die federbelasteten Steuerschieber gleichsinnig durch mechanischen Druckkontakt bewegbar sind, daß ferner jeder Steuerschieber in je einem Druckraum einen Hilfskolben enthält und daß die Druckräume über wenigstens ein Schaltventil mit Druckmittel im Sinne einer der Federkraft entgegengerichteten Bewegung beaufschlagbar und dadurch die Steuerschieber in eine der Einwirkung des Steuerelements entzogene inaktive Stellung bewegbar sind, in der beide Druckräume des Hydraulikzylinders mit einer zum Tank führenden Leitung verbunden sind, während die von der Druckölversorgung kommende Leitung durch die Steuerventile gesperrt ist.

[0007] Nach einem wesentlichen Gedanken der Erfindung enthält das Hauptsteuerventil in einem gemeinsamen Ventilgehäuse wenigstens zwei spiegelbildlich angeordnete, gleichsinnig bewegbare Steuerschieber mit den daran angeordneten Steuerkolben zum Steuern je eines Druckraumes des Verbrauchers. Die Sollwertvorgabe wird hierbei über ein gemeinsames Steuerelement des Servomotors auf beide Steuerschieber gleichzeitig übertragen. Für die "Not-Stop-Funktion" enthält jeder Steuerschieber einen Hilfskolben in je einem Druckraum. Damit ist die "Not-Stop-Funktion" mit Hilfe eines Schaltventils auf direktem Wege erreichbar, und zwar unabhängig vom jeweiligen Regelzustand der beiden Steuerventile. In der Stellung "Not-Stop-Funktion", d.h. in der inaktiven Stellung der Steuerventile kann die Mittellage des Steuerelements des Servomotors ausgerichtet werden, ohne den Verbraucher zu bewegen, obwohl die Druckölversorgung ansteht. Damit ist zugleich eine zweikanalige Ansteuerung der Steuerventile gegeben. Ein weiterer Vorteil in der baulichen Aufteilung der Steuerventile und der zugleich vorgesehenen symmetrisch gegenüberliegenden Anordnung der Steuerschieber ist in der Kompensation der hydraulischen Anpreßkräfte zu sehen.

[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrohydraulischen Steuerung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach ist es u.a. vorteilhaft, das Steuerelement des Servomotors als exzentrisch gelagerten Hubring auszubilden, dessen äußere Mantelfläche als Anlagefläche für das innere Ende der beiden Steuerschieber dient.

[0009] Um die Steuerschieber axial gegeneinander einstellen zu können, ist es zweckmäßig, an ihrem inneren Ende axial verstellbare Bauteile, wie z.B. eine Schraube oder eine Spindel, anzuordnen. Jedes einzelne Steuerventil ist zweckmäßigerweise als an sich bekanntes 3/3-Wegeventil ausgebildet.

[0010] Die inaktive Stellung der Steuerschieber, d.h. die Stellung "Not-Stop-Funktion" kann mechanisch dadurch festgelegt werden, daß für den Hilfskolben des Steuerschiebers ein mechanischer Anschlag, z.B. die Abschlußwand des Zylinderraumes, vorgesehen wird.

[0011] Für die Einstellung der Mittellage des Servomotors ist es zweckmäßig, mit dem drehbaren Hubring eine Schaltnocke zu verbinden, die in der Mittellage einen Null-Punkt-Schalter betätigen kann.

[0012] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Ausführungsform eines Doppel-Steuerventils zum Steuern eines zweiseitig beaufschlagbaren Hydraulikzylinders gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schaltplan einer elektrohydraulischen Steuerung gemäß der Erfindung zum Steuern eines Hydraulikzylinders im Schaltzustand "inaktive Stellung" der Steuerventile,

Fig. 3 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand "aktive Stellung" der Steuerventile,

Fig. 4 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand Betätigung des Hydraulikzylinders und

Fig. 5 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand Betätigung des Hydraulikzylinders in entgegengesetzter Richtung.

[0013] Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform sind in einem Gehäuse (1) zwei gleiche Steuerschieber (2, 2a) koaxial und in bezug auf die Mittelebene (3) spiegelbildlich zueinander angeordnet. Angesichts der gleichen Ausgestaltung der beiden Steuerschieber (2, 2a) und damit auch der Steuerventile wird für die nachfolgende Beschreibung nur eines der beiden Steuerventile beschrieben. Für das zweite Steuerventil gilt das gleiche, wobei zu den einzelnen Bezugszahlen jeweils der Buchstabe a hinzutritt.

[0014] Die Steuerventile sind einzeln in der Art eines üblichen 3/3-Wegeventils ausgebildet. Der Steuerschieber (2, 2a) enthält zwei Steuerkolben (4, 5) mit je einer Steuerkante (6, 7) und ferner einen Hilfskolben (8). Die Steuerkolben (4 und 5) und der Hilfskolben (8) sind miteinander verbunden und bilden mit einer endseitigen Kolbenstange (9), die aus dem Ventilgehäuse (1) austritt, den axial beweglichen Steuerschieber (2). Zwischen der freien Stirnfläche der Kolbenstange (9) und einer Abschlußkappe (10) ist eine Schraubendruckfeder (11) angeordnet, die den Steuerschieber (2) aus der dargestellten mechanischen Endlage in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen sucht.

[0015] Im Bereich der Hubbewegung der Steuerkolben (4, 5) ist in der Führungsbohrung des Ventilgehäuses (1) je eine umlaufende Ringnut (12, 13) enthalten, wobei an die Ringnut (12) die von der nicht dargestellten Druckmittelquelle kommende Leitung (P) und an die Ringnut (13) die zum Tank führende Leitung (T) angeschlossen ist. Zwischen den beiden Ringnuten (12, 13) befindet sich eine mittige Ringnut (14), an die eine Leitung (B) angeschlossen ist, die zum Hydraulikzylinder (15), und zwar zum Druckmittelraum desselben führt.

[0016] Seitlich am Ventilgehäuse (1) ist ein Sollwertmotor (17), beispielsweise ein elektrischer Schrittmotor, angeflanscht. Die Antriebswelle (18) des Sollwertmotors (17) ist mit einem Exzenterring (19) gekuppelt, der ein Wälzlager, z.B. ein Kugellager mit einem Außenring (20) trägt. Der Außenring (20) dient als mechanische Abstützung für die federbelasteten Steuerschieber (2, 2a). Um die beiden Steuerschieber (2, 2a) unabhängig voneinander in ihrer axialen Lage justieren zu können, ist an der freien Stirnfläche des Steuerkolbens (4) ein in seiner axialen Länge verstellbares Bauteil (21), z.B. eine Schraube oder eine Spindel, angebracht. Solange der Hilfskolben (8), auf dessen Bedeutung nachfolgend noch eingegangen wird, nicht beaufschlagt ist, steht das Bauteil (21) unter der Einwirkung der Kraft der Druckfeder (11) mit dem Außenring (20) des Exzenterringes in Druckberührung.

[0017] Der Sollwertmotor (17) kann in eine Mittellage gefahren werden. Für das Einstellen dieser Mittellage ist mit der Antriebswelle (18) des Sollwertmotors eine Schaltnocke (22) verbunden, die bei Erreichen der Mittellage einen an sich bekannten Null-Punkt-Schalter (23) betätigt.

[0018] Der Exzenterring (19) ist so angeordnet, daß in der vorerwähnten Mittellage die am Außenring (20) des Exzenterringes (19) anliegenden Bauteile (21 und 21a) von der Drehachse der Welle (18) den gleichen radialen Abstand haben. Bei einer Drehung des Sollwertmotors (17) nimmt dieser radiale Abstand auf einer Seite zu und auf der anderen Seite im gleichen Maße ab und umgekehrt. Auf diese Weise sind durch Drehen des Sollwertmotors (17) die beiden Steuerschieber (2, 2a) aus ihrer Mittellage heraus jeweils in die eine oder andere Endlage gleichzeitig bewegbar.

[0019] Solange die Steuerschieber (2, 2a) mit dem Außenring (20) in Druckkontakt stehen, sind die beiden Steuerventile "aktiv". Mit Hilfe der bereits erwähnten Hilfskolben (8 bzw. 8a) können die Steuerventile zusätzlich in eine "inaktive" Stellung gebracht werden. Für diese Steuerung ist ein an sich bekanntes Schaltventil (24) vorgesehen, welches bei dem Ausführungsbeispiel aus einem 4/2-Wegevenetil mit magnetischer Ansteuerung durch einen Magneten (25) besteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Druckräume (26 bzw. 26a), die von den Hilfskolben (8 bzw. 8a) begrenzt sind, von einem einzigen Schaltventil (24) gleichzeitig steuerbar sind.

[0020] Die Anschlüsse (P und T) sind ständig jeweils mit der von der Druckmittelquelle kommenden Zufuhrleitung (P) bzw. der zum Tank führenden Leitung (T) verbunden. Dies kann entweder durch direkte Verbindungsleitungen oder wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über Anschlüsse innerhalb des Ventilgehäuses (1) geschehen. Dargestellt ist das Schaltventil (24) in der Ruhestellung, in der es bei nicht erregtem Stellmagneten (25) durch die Druckfeder (27) gehalten wird. In dieser Stellung sind die Druckräume (26, 26a) beaufschlagt; die Steuerschieber (2, 2a) nehmen infolgedessen die in der Zeichnung dargestellte mechanische Endlage ein, d.h. die Steuerventile stehen in der inaktiven Stellung. In dieser inaktiven Stellung besteht zwischen den Bauteilen (21, 21a) und dem Außenring (20) des Exzenterringes (19) keine Kontaktberührung. Der Sollwertmotor (17) kann somit ausgerichtet werden, ohne daß die Steuerschieber (2, 2a) bewegt werden.

[0021] Nachfolgend werden die einzelnen möglichen Schaltzustände anhand der Schaltpläne der Figuren 2 bis 5 erläutert. In diesen Schaltplänen sind die Wegeventile mit den üblichen Hydrauliksymbolen dargestellt.

[0022] Folgende Schaltzustände sind möglich:

1. Steuerventile inaktiv (Fig. 2)

2. Steuerventile aktiv, "ausgeregelte Mittellage" (Fig. 3)

2.1 Steuerventile in einer ersten Schaltstellung (Fig. 4) und

2.2 Steuerventile in der zweiten, entgegengesetzten Schaltstellung (Fig. 5).

Zu 1.

[0023] Das Schaltventil (24) ist in Ruhestellung. Die Steuerschieber (2, 2a) nehmen die Endstellung gemäß Fig. 1 ein. Der mechanische Kontakt mit dem Außenring (20) ist aufgehoben. An den Steuerventilen stellt sich das in Fig. 2 dargestellte Hydrauliksymbol ein. Die Stellung des Sollwertmotors (17) hat auf dieses Symbol keinen Einfluß. Die Druckölversorgung (P) ist gesperrt, der Hydraulikzylinder (15) ist in beiden Druckräumen (16, 16a) zum Tank (T) entlastet. In diesem Betriebszustand kann der Sollwertmotor, wenn dies erforderlich ist, ausgerichtet werden, ohne daß die Steuerventile betätigt werden.

Zu 2.

[0024] Das Schaltventil (24) ist als Folge der Erregung des Magneten (25) in Arbeitsstellung. Die Druckräume (26, 26a) sind zum Tank entlastet. Die Federn (11, 11a) pressen die Steuerschieber (2, 2a) gegen den Außenring (20). Durch die symmetrische Anordnung der Steuerschieber (2, 2a) heben sich die Anpreßkräfte auf, so daß für den Sollwertmotor (17) kein zusätzliches Drehmoment auftritt.

[0025] Steht der Sollwertmotor (17) in Mittellage, stellt sich an den Steuerventilen das in Fig. 2 dargestellte Hydrauliksymbol ein. Die Steuerventile sind in der aktiven Stellung. Der Hydraulikzylinder ist über die Anschlüsse (A und B) hydraulisch eingespannt.

Zu 2.1

[0026] Wird der Sollwertmotor (17) entsprechend der Sollwertvorgabe in einer Richtung gedreht, verschieben sich durch den exzentrischen Hubring (19) die Steuerschieber (2, 2a) gemäß der Darstellung in Fig. 4 gleichsinnig nach rechts. An den Steuerventilen stellt sich das in Fig. 4 dargestellte Hydrauliksymbol ein. Dies bedeutet, daß bei dem Hydraulikzylinder (15) der Druckraum (16a) beaufschlagt und der Druckraum (16) entlastet ist.

Zu 2.2

[0027] Der Sollwertmotor (17) ist aus der Mittellage in die entgegengesetzte Richtung gedreht worden. Die Steuerschieber (2, 2a) verschieben sich durch die Einwirkung des exzentrischen Hubrings (19) gemäß der Darstellung in Fig. 5 gleichsinnig aus der Mittellage nach links. Bei den Steuerventilen stellt sich das in Fig. 5 dargestellte Hydrauliksymbol ein. Dies bedeutet, daß nun der Druckraum (16) beaufschlagt und der Druckraum (16a) des Hydraulikzylinders (15) zum Tank hin entlastet ist.

[0028] Bei den beiden Schaltzuständen der Fig. 4 und 5 ist die Durchflußmenge des Druckmittels zu den Druckmittelräumen (16 bzw. 16a) und umgekehrt vom Drehwinkel des Sollwertmotors (17) abhängig, so daß in Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerung ein Regelkreis aufgebaut werden kann. Die maximale Durchflußmenge wird jeweils erzielt, wenn der exzentrische Hubring (19) aus seiner Mittellage heraus in die eine oder andere Richtung jeweils um 90° gedreht wird.

[0029] Die separate Ansteuerung des Schaltventils (24) bietet bei der beschriebenen elektrohydraulischen Steuerung den großen Vorteil, daß die "Not-Stop-Funktion" jederzeit ansteuerbar ist, gleichgültig, welcher Regelzustand gerade vorliegt. Dabei ist die "Not-Stop-Funktion" direkt erreichbar, ohne dabei ein "anderes Hydrauliksymbol" zu durchfahren.

Ansprüche

1. Elektrohydraulische Steuerung zum Steuern eines hydraulischen Antriebs wie beispielsweise ein Hydraulikzylinder, in dem ein doppelseitig wirkender Arbeitskolben auf seinen entgegengesetzten Seiten je einen Druckraum begrenzt, enthaltend wenigstens ein Steuerventil mit einseitig federbelastetem Steuerschieber, der aus seiner Ruhestellung gegen die Federkraft auslenkbar ist, und einen Servomotor zum Ansteuern des Steuerschiebers, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einteiligen oder mehrteiligen Ventilgehäuse (1) wenigstens je ein je einem Druckraum (16, 16a) des Hydraulikzylinders (15) zugehöriges Steuerventil vorgesehen ist, deren Steuerschieber (2, 2a) koaxial und spiegelbildlich zueinander mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind, daß zwischen den inneren Enden der Steuerschieber (2, 2a) ein gemeinsames Steuerelement (19) eines Servomotors (17) sich befindet, mittels dessen die an ihren äußeren Enden federbelasteten Steuerschieber (2, 2a) gleichsinnig durch mechanischen Druckkontakt bewegbar sind, daß ferner jeder Steuerschieber (2, 2a) in je einem Druckraum (26, 26a) einen Hilfskolben (8, 8a) enthält und daß die Druckräume (26, 26a) über wenigstens ein Schaltventil (24) mit Druckmittel im Sinne einer der Federkraft entgegengerichteten Bewegung beaufschlagbar und dadurch die Steuerschieber (2, 2a) in eine der Einwirkung des Steuerelements (19) des Servomotors (17) entzogene inaktive Stellung bewegbar sind, in der beide Druckräume (16, 16a) des Hydraulikzylinders (15) mit der zum Tank führenden Leitung (T) verbunden sind, während die von der Druckölversorgung kommende Leitung (P) durch die Steuerschieber (2, 2a) gesperrt ist.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement des Servomotors (17) als exzentrischer Hubring (19, 20) ausgebildet ist, dessen äußere Mantelfläche als Anlage für je ein inneres Ende der auf diametral entgegengesetzten Seiten befindlichen Steuerschieber (2, 2a) dient.

3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Ende jedes Steuerschiebers (2, 2a) ein in seiner axialen Länge verstellbares Bauteil (21, 21a), wie z.B. eine Schraube oder Spindel angeordnet ist.

4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem drehbaren Hubring (19, 20) eine Schaltnocke (22) für die Betätigung eines elektrischen O-Punkt-Schalters (23) verbunden ist.

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Steuerventil als 3/3-Wegeventil ausgebildet ist.

6. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerschieber (2, 2a) in der inaktiven Stellung an einem mechanischen Anschlag anliegt.

Zeichnung