Steuerungsvorrichtung für einen hydraulischen Volumenstrom

Abstract

 Die Erfindung geht aus von einer Steuerungsvorrichtung für einen in einem Hydrauliksystem fließenden Volumenstrom eines Hydraulikmittels zumindest eines belasteten Arbeitsmittels (12), insbesondere zum Heben und Senken einer Last, mit zumindest einem Sperrventil (18) und zumindest einem Hydromotor (20).
Es wird vorgeschlagen, daß in dem Hydrauliksystem zwischen dem Arbeitsmittel (12) und dem Hydromotor (20) ein Druckminderventil (22) so angeordnet ist, daß es beim Senken der Last den am Hydromotor (20) anstehenden Druck verringert.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Steuerungsvorrichtung für einen in einem Hydrauliksystem fließenden Volumenstrom eines Hydraulikmittels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bekannt ist eine gattungsbildende Steuervorrichtung zum Absenken einer Last auf einen Hydraulikzylinder. Dabei ist der Hydraulikzylinder über ein Sperrventil und einen Hydromotor mit einem Hydraulikmitteltank verbunden. Soll die Last abgesenkt werden, wird das Sperrventil geöffnet und Hydraulikmittel strömt durch das Sperrventil und den Hydromotor zum Hydraulikmitteltank. Dabei wird der Hydromotor durch den Druck des Hydraulikmittels angetrieben. In der Regel wird die Funktion des Hydromotors von einer rückwärts laufenden Hydropumpe erfüllt, die im Hubbetrieb den Versorgungsdruck für die Hydraulik bereitstellt. Die Hydraulikpumpe wird zumeist von einem Elektromotor angetrieben. Beim Absenken einer Last wird der Elektromotor vom Hydromotor angetrieben und arbeitet in diesem Betriebszustand generatorisch im dritten Quadranten. Die Senkleistung übersteigt dabei die Hubleistung im Hubbetrieb deutlich. Der Elektromotor muß deshalb zur Leistungsaufnahme im Senkbetrieb größer dimensioniert werden als dies für den reinen Hubbetrieb nötig wäre. Dies hat höhere Kosten für größere Elektromotoren zum Nachteil und erfordert darüber hinaus einen größeren Bauraum.

Vorteile der Erfindung

[0003] Die Erfindung geht aus von einer Steuerungsvorrichtung für einen in einem Hydrauliksystem fließenden Volumenstrom eines Hydraulikmittels zumindest eines belasteten Arbeitsmittels, insbesondere zum Heben und Senken einer Last, mit zumindest einem Sperrventil und zumindest einem Hydromotor.

[0004] Es wird vorgeschlagen, daß in dem Hydrauliksystem zwischen dem Arbeitsmittel und dem Hydromotor ein Druckminderventil so angeordnet ist, daß es beim Senken der Last den am Hydromotor anstehenden Druck verringert. Das Druckminderventil nimmt bei hohen Lasten, respektive hohen Drücken im Hydrauliksystem, einen Teil der hydrostatischen Energie des Arbeitsmittels auf, die im wesentlichen der frei werdenden potentiellen Energie der Last bei deren Absenken entspricht. Diese Energie wird entsprechend der Druckminderung teilweise beim Durchströmen des Hydraulikmittels durch das Druckminderventil durch innere Reibung in Wärme umgewandelt. Die Wärmeleistung entspricht dem Produkt aus Durchflußrate und Druckdifferenz am Druckminderventil. Die Leistungsaufnahme des Hydromotors und damit die eines durch diesen angetriebenen, generatorisch arbeitenden Elektromotors verringert sich entsprechend dieser Wärmeleistung. Es kann daher ein kleiner dimensionierter Elektromotor eingesetzt und es kann eine thermische Entlastung erreicht werden. Dies führt zu einer Kostensenkung. Die kleinere Bauweise des Elektromotors führt weiterhin zu einer Bauraumreduktion.

[0005] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Druckminderventil einen in Öffnungsrichtung vorgespannten Schieber auf, der durch das ausgangsseitig des Druckminderventils unter geminderten Druck stehenden Hydraulikmittel in Schließrichtung verschiebbar ist. Je höher der Druck am Druckminderventilausgang ist, desto stärker ist die Kraft auf den Schieber in Schließrichtung. Der Schieber überwindet die Vorspannung in Öffnungsrichtung und schließt das Druckminderventil. Der Öffnungsquerschnitt des Druckminderventils nimmt ab, und die Druckdifferenz am Druckminderventil nimmt zu. Bei konstantem Eingangsdruck nimmt daher der Ausgangsdruck ab. Die Kraft auf den Schieber in Schließrichtung nimmt ab, und das Druckminderventil öffnet sich wieder. Schließlich stellt sich ein stabiles Gleichgewicht ein. Dabei hängt der ausgangsseitige Druck am Druckminderventil von der Vorspannung ab. Die Ausgestaltung des Druckminderventils als Schieberventil zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und durch Zuverlässigkeit aus.

[0006] Vorzugsweise ist der Schieber in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung über von der Größe differierende Flächen mit Hydraulikmittel beaufschlagbar. Ein nach diesem sogenannten Differenzflächenprinzip aufgebautes Druckminderventil bietet den Vorteil eines schwächer dimensionierbaren Vorspannungselements. Es kann damit beispielsweise eine Feder eingesetzt werden, die einen geringeren Bauraum benötigt, denn die in Öffnungsrichtung des Druckminderventils wirkende Druckkraft unterstützt damit die Vorspannung. Die resultierende Gesamtkraft ergibt sich aus dem Druck des Hydraulikmittels multipliziert mit der Differenz der beiden Flächen.

[0007] Vorteilhafterweise weist der Schieber die Form einer Hülse auf, die auf der einen axialen Stirnseite geschlossen ist und auf der anderen zum Ablauf von Hydraulikmittel offen ist. Die Hülse ist in einem Gehäuse des Druckminderventils verschiebbar. In ihrer Mantelfläche weist sie mindestens eine radiale Öffnung als Hydraulikmittelzulauf auf, die mit einem Hydraulikmittelzufuhrkanal im Gehäuse des Druckminderventils zur Regelung des geminderten Drucks des Hydraulikmittels in veränderbarem Ausmaß in Überdeckung bringbar ist. Durch die Größe der Überdeckungsfläche wird der Hydraulikmitteldurchstrom und damit die Druckminderung geregelt. Je größer der Querschnitt der Überdeckung zwischen der Öffnung in der Hülse und der Öffnung des Hydraulikmittelzufuhrkanals ist, desto größer ist der Hydraulikmitteldurchstrom und desto kleiner ist entsprechend der Druckabfall an dieser Stelle. Bei konstantem Zulaufdruck steigt damit der Druck auf der Ausgangsseite des Druckminderventils an. Der Druck in der Hülse bewirkt eine Kraft auf die Innenfläche der geschlossenen Stirnseite. Da die entgegengesetzte Stirnseite offen ist, gibt es zu dieser Druckkraft keine hydraulische Gegenkraft. Die Hülse ist aber entgegen dieser Kraft vorgespannt. Die radiale Öffnung in der Hülse und die Öffnung des Hydraulikmittelzufuhrkanals sind in ihrer Anordnung derart gewählt, daß bei zunehmender Verschiebung der Hülse entgegen der Vorspannung die Überdeckung der Öffnungen und damit der Zulaufquerschnitt abnimmt. Es stellt sich damit das oben beschriebene Gleichgewicht ein. Dieser Aufbau des Druckminderventils mit Steuerbewegungen der Hülse senkrecht zur Hydraulikmittelströmung bietet den Vorteil, daß keine Staudruckeffekte auftreten. Das Druckminderventil zeigt damit ein einfaches Regelverhalten. Ferner kann mit einer vorgeschlagenen Hülse eine leichte und schmutzunempfindliche Konstruktion erreicht werden. Die Hülse kann auch mehrere radiale Öffnungen aufweisen, die mit einer mit dem Hydraulikmittelzufuhrkanal verbundenen ringförmigen, die Hülse umfassenden Nut auf der Innenseite des Gehäuses zur Überdeckung gebracht werden können.

[0008] Vorzugsweise übt eine Feder eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf die Hülse aus, die der Druckkraft des Hydraulikmittels auf eine Innenfläche einer geschlossenen Stirnseite der Hülse entgegenwirkt. Auf diese Weise kann die Vorspannung des Schiebers gegen die hydraulische Kraft in einfachster Weise ausgestaltet werden.

[0009] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teil der Außenfläche der geschlossenen Stirnseite der Hülse zur Teilkompensation der auf die Innenfläche der geschlossenen Stirnseite wirkenden Druckkraft ebenfalls mit Hydraulikmittel beaufschlagt. Die Druckkraft auf diesen Teil der Außenfläche wirkt in Öffnungsrichtung des Druckminderventils und unterstützt damit die Vorspannung. Die resultierende Gesamtkraft ergibt sich aus dem Druck des Hydraulikmittels multipliziert mit der Differenz von der Innenfläche und der äußeren Teilfläche der Stirnseite der Hülse. Das oben erwähnte Differenzflächenprinzip kann bei einer derartigen Hülse einfach realisiert werden.

[0010] Vorzugsweise weist die geschlossene Stirnseite dazu eine Hydraulikmitteldurchführung zur Hydraulikmittelbeaufschlagung eines Teils der Außenfläche der geschlossenen Stirnseite der Hülse auf. Diese Hydraulikmittelbeaufschlagung kann in einfachster Weise als Bohrung ausgeführt sein und ist damit sehr kostengünstig.

[0011] Vorteilhafterweise ist das Druckminderventil mittels einer Leckageleitung mit einem Hydraulikmitteltank verbunden. Hydraulikmittel, das durch eine Dichtung aus einer mit Druck beaufschlagten Ventilkammer des Druckminderventils in einen drucklosen Teil des Druckminderventils, wie beispielsweise einen Federraum, austritt, ist über diese Leckageleitung in den Hydraulikmitteltank abführbar. Auf diese Weise kann ein Leckageverlust von Hydraulikmittel vermieden werden, die Umwelt geschont und insbesondere kann ein ungewünschter Druckaufbau in einem drucklosen Raum vermieden werden.

[0012] Vorzugsweise ist ein Rückschlagventil parallel zu dem Druckminderventil geschaltet. Dieses Rückschlagventil bildet im Hubbetrieb des oder der Arbeitsmittel einen Bypass für das Hydraulikmittel. Auf diese Weise kann vorteilhaft im Falle einer geregelten Hydropumpe das oder die Arbeitsmittel schnell und einfach mit Hydraulikmittel beaufschlagt werden.

[0013] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeitet der Hydromotor im Hubbetrieb des oder der Arbeitsmittel als Hydropumpe. Bei möglichem beidseitigen Betrieb des Hydromotors kann damit eine gesonderte Hydropumpe eingespart werden.

Zeichnung

[0014] Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

[0015] Es zeigen:

Fig. 1

ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und

Fig. 2

ein Druckminderventil im geöffneten Zustand.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0016] In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung dargestellt. Ein Arbeitszylinder 12 wird zum Kolbenhub zum Anheben einer Last von einer Hydropumpe 10 mit Hydraulikmittel aus einem Hydraulikmitteltank 14 versorgt. Die Hydropumpe 10 wird von einem vorzugsweise in beide Richtungen drehzahlregelbaren Elektromotor 16 angetrieben. Das Absenken des Kolbens in den Arbeitszylinder 12 zum Absenken der Last wird von einem Sperrventil 18 gesteuert. Soll die Last gehalten werden, ist das Sperrventil 18 geschlossen. Zum Herablassen der Last wird es geöffnet. Hydraulikmittel fließt dabei durch das Sperrventil 18 und die Hydropumpe 10 zum Hydraulikmitteltank 14. Die Hydropumpe 10 läuft dabei rückwärts in der Wirkungsweise eines Hydromotors 20 und treibt den Elektromotor 16 an. Der Elektromotor 16 arbeitet in diesem Betriebszustand generatorisch im dritten Quadranten. Der Hydraulikmitteldruck wird dabei von dem Gewicht der Last bestimmt. Bei hohen Lasten, respektive hohen Drücken im Hydraulikmittel, könnte die Senkleistung die Hubleistung deutlich übersteigen.

[0017] Um den Elektromotor 16 in seiner Leistungsaufnahme in diesem generatorischen Betriebszustand zu entlasten, ist zwischen Sperrventil 18 und Hydromotor 20 ein Druckminderventil 22 zwischengeschaltet. Der Hydromotor 20 und damit der Elektromotor 16 wird dann von dem geminderten Druck angetrieben, so daß seine Leistungsaufnahme durch diesen begrenzt ist. Dadurch kann der Elektromotor 16 kleiner dimensioniert werden. Im Hubbetrieb des Arbeitszylinders 12 wird das Sperrventil 18 und das Druckminderventil 22 mittels eines Bypasses 24 umgangen, in dem ein Rückschlagventil 26 angeordnet ist. Durch letzteres wird der Bypass 24 im Senkbetrieb abgesperrt.

[0018] Das Druckminderventil 22 ist im einzelnen in Fig. 2 aufgezeigt. Das Druckminderventil 22 weist einen in Öffnungsrichtung 28 mittels einer Feder 30 vorgespannten Schieber 32 auf, der durch das ausgangsseitig des Druckminderventils 22 unter geminderten Druck stehenden Hydraulikmittel in Schließrichtung 34 verschiebbar ist. Der Schieber 32 besitzt die Form einer Hülse 36, die auf der einen axialen Stirnseite 38 geschlossen ist und auf der anderen zum Ablauf von Hydraulikmittel offen ist. Diese Hülse 36 ist in einem Gehäuse 40 des Druckminderventils 22 verschiebbar. Die Hülse 36 weist in ihrer Mantelfläche 42 zwei radiale Öffnungen 44, 46 in Form von Bohrungen als Hydraulikmittelzulauf auf, die mit einer ringförmigen, die Hülse 36 umfassenden Nut 48 auf der Innenseite des Gehäuses 40 zur Überdeckung gebracht werden können. Die ringförmige Nut 48 ist mit einem Hydraulikmittelzufuhrkanal 50 im Gehäuse 40 des Druckminderventils 22 verbundenen.

[0019] Die Feder 30 übt eine in Öffnungsrichtung 28 wirkende Kraft auf die Hülse 36 aus, die der Druckkraft des Hydraulikmittels auf die Innenfläche 52 der geschlossenen Stirnseite 38 entgegenwirkt. Bei steigendem Druck in der Hülse 36 steigt die Kraft auf die Innenfläche 52 der geschlossenen Stirnseite 38. Damit wird die Hülse 36 in der Darstellung nach Fig. 2 entgegen der Federkraft zunehmend nach links verschoben. Der Überdeckungsquerschnitt zwischen den radialen Öffnungen 44, 46 und der die Hülse 36 umfassenden Nut 48 bzw. des Hydraulikmittelzufuhrkanals 50 nimmt dabei ab. Der Überdeckungsquerschnitt bestimmt den Zulaufquerschnitt des Druckminderventils 22. Da der Ablaufquerschnitt des Druckminderventils 22 konstant ist, nimmt mit abnehmendem Zulaufquerschnitt des Druckminderventils 22 bei konstantem Eingangsdruck der ausgangsseitige Druck im Druckminderventil 22 ab. Damit nimmt die in Schließrichtung 34 wirkende Kraft auf die Innenfläche 52 der geschlossenen Stirnseite 38 ab, und das Druckminderventil 22 öffnet sich wieder. Schließlich stellt sich ein stabiles Gleichgewicht ein. Dabei hängt der ausgangsseitige Druck am Druckminderventil 22 von der Vorspannung der Feder 30 in Öffnungsrichtung 28 ab. Auf diese Weise wird der ausgangsseitige Druck im Druckminderventil 22 durch den Überdeckungsquerschnitt zwischen den radialen Öffnungen 44, 46 und der die Hülse 36 umfassenden Nut 48 bzw. des Hydraulikmittelzufuhrkanals 50 geregelt. Ein Endanschlag 68 verhindert, daß die Hülse 36 durch die Kraft der Feder 30 derart weit in Öffnungsrichtung 28 verschoben wird, daß sie aus dem stabilen Regelungsgleichgewicht in ein labiles Gleichgewicht gelangt, in dem mit zunehmender Verschiebung der Hülse 36 in Öffnungsrichtung 28 der Überdeckungsquerschnitt zwischen den radialen Öffnungen 44, 46 und der die Hülse 36 umfassenden Nut 48 bzw. des Hydraulikmittelzufuhrkanals 50 wieder abnimmt.

[0020] Die geschlossene Stirnseite 38 der Hülse 36 weist eine Bohrung als Hydraulikmitteldurchführung 54 auf. Diese Bohrung verbindet den Innenraum 58 der Hülse 36 mit einem Ringraum 60 zwischen dem Gehäuse 40 und der Stirnseite 38 der Hülse 36. In diesem Ringraum 60 herrscht damit der gleiche Druck wie im Innenraum 58 der Hülse 36. Der Ringraum 60 umschließt einen zylinderförmigen Fortsatz 62 der Stirnseite 38 der Hülse 36, der sich in eine Bohrung 64 des Gehäuses 40 erstreckt. Der den Fortsatz 62 der Stirnseite 38 als Ringfläche umgebende Teil der Außenfläche 56 der geschlossenen Stirnseite 38 wird damit ebenfalls mit Hydraulikmitteldruck beaufschlagt. Ein Teil der auf die Innenfläche 52 der geschlossenen Stirnseite 38 wirkenden Druckkraft wird auf diese Weise kompensiert. Die Druckkraft auf diesen Teil der Außenfläche 56 wirkt in Öffnungsrichtung 28 des Druckminderventils 22 und unterstützt damit die Vorspannung der Feder 30. Die resultierende Gesamtkraft ergibt sich aus dem Druck des Hydraulikmittels multipliziert mit der Differenz von der Innenfläche 52 und der äußeren Teilfläche der Stirnseite 38 der Hülse 36. Dies entspricht dem Produkt aus dem Druck und der Querschnittsfläche des Fortsatzes 62 der Stirnseite 38. Dieses nach diesem sogenannten Differenzflächenprinzip aufgebaute Druckminderventil 22 bietet den Vorteil, daß die Feder 30 schwächer dimensioniert werden kann. Anderenfalls würde für die Feder 30 ein deutlich größerer Bauraum benötigt.

[0021] Die Bohrung 64 des Gehäuses 40, in die sich der zylinderförmige Fortsatz 62 der Stirnseite 38 der Hülse 36 erstreckt, und in der die Feder 30 aufgenommen ist, ist mittels einer Leckageleitung 66 mit dem Hydraulikmitteltank 14 verbunden. Hydraulikmittel, das durch eine nicht dargestellte Dichtung aus dem mit Druck beaufschlagten Ringraum 60 des Druckminderventils 22 in den drucklosen Raum der Bohrung 64 des Druckminderventils 22 austritt, wird über diese Leckageleitung 66 in den Hydraulikmitteltank 14 abgeführt.

[0022] Die Höhe des am Hydromotor 20 anstehenden Drucks wird durch die Vorspannung der Feder 30 eingestellt. Der Druck darf nicht zu klein gewählt werden, da sonst im generatorischen Betrieb des Elektromotors 16 der Hydromotor 20 nicht mehr anläuft und damit der Volumenstrom des Hydraulikmittels unterbrochen ist.

Ansprüche

1. Steuerungsvorrichtung für einen in einem Hydrauliksystem fließenden Volumenstrom eines Hydraulikmittels zumindest eines belasteten Arbeitsmittels (12), insbesondere zum Heben und Senken einer Last, mit zumindest einem Sperrventil (18) und zumindest einem Hydromotor (20), dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hydrauliksystem zwischen dem Arbeitsmittel (12) and dem Hydromotor (20) ein Druckminderventil (22) so angeordnet ist, daß es beim Senken der Last den am Hydromotor (20) anstehenden Druck verringert.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckminderventil (22) einen in Öffnungsrichtung (28) vorgespannten Schieber (32) aufweist, der durch das ausgangsseitig des Druckminderventils (22) unter geminderten Druck stehenden Hydraulikmittel in Schließrichtung (34) verschiebbar ist.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (32) in Öffnungsrichtung (28) und in Schließrichtung (34) über von der Größe differierende Flächen (56, 52) mit Hydraulikmittel beaufschlagbar ist.

4. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (32) die Form einer Hülse (36) aufweist, die auf der einen axialen Stirnseite (38) geschlossen ist und auf der anderen zum Ablauf des Hydraulikmittels offen ist, und daß die Hülse (36) in einem Gehäuse (40) des Druckminderventils (22) verschiebbar ist und in ihrer Mantelfläche (42) mindestens eine radiale Öffnung (44, 46) als Hydraulikmittelzulauf aufweist, die mit einem Hydraulikmittelzufuhrkanal (50) im Gehäuse (40) des Druckminderventils (22) zur Regelung des geminderten Drucks des Hydraulikmittels in veränderbarem Ausmaß in Überdeckung bringbar ist.

5. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (30) eine in Öffnungsrichtung (28) wirkende Kraft auf die Hülse (36) ausübt, die der Druckkraft des Hydraulikmittels auf eine Innenfläche (52) einer geschlossenen Stirnseite (38) der Hülse (36) entgegenwirkt.

6. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Außenfläche (56) der geschlossenen Stirnseite (38) der Hülse (36) zur Teilkompensation der auf die Innenfläche (52) der geschlossenen Stirnseite (38) wirkenden Druckkraft ebenfalls mit Hydraulikmittel beaufschlagt wird.

7. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Stirnseite (38) eine Hydraulikmitteldurchführung (54) zur Hydraulikmittelbeaufschlagung eines Teils der Außenfläche (56) der geschlossenen Stirnseite (38) der Hülse (36) aufweist.

8. Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckminderventil (22) mittels einer Leckageleitung (66) mit einem Hydraulikmitteltank (14) verbunden ist, über die aus dem Druckminderventil (22) durch eine Dichtung austretendes Hydraulikmittel in den Hydraulikmitteltank (14) abführbar ist.

9. Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil (26) parallel zum Druckminderventil (22) geschaltet ist, das im Hubbetrieb des oder der Arbeitsmittel (12) einen Bypass (24) für das Hydraulikmittel ausbildet.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (26) parallel zum Sperrventil (18) geschaltete ist, das in Reihe zum Druckminderventil (22) liegt.

11. Steuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (20) im Hubbetrieb des oder der Arbeitsmittel (12) als Hydropumpe (10) arbeitet.

Zeichnung