Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Ansteuerung eines doppeltwirkenden hydraulischen Antriebszylinders gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Vorrichtungen zum Heben und Senken von Lasten werden vielfach doppeltwirkende Antriebszylinder angewendet. In der einen Bewegungsrichtung wird Hydrauliköl in den Kolbenraum des Antriebszylinders gespeist, während aus dem Stangenraum des Antriebszylinders Hydrauliköl abgeführt werden muss. Weil die Querschnitte von Kolben- und Stangenraum unterschiedlich groß sind, sind die Mengen von eingespeistem und abgeführten Hydrauliköl unterschiedlich groß. Bei der genannten ersten Bewegungsrichtung muss dem Kolbenraum mehr Hydrauliköl zugeführt werden als auf dem Stangenraum abfließt. In der anderen Bewegungsrichtung ist dies umgekehrt.

Wird der Zu- und Abfluss von Hydrauliköl nur mit einem Wegeventil gesteuert, so muss beispielsweise das ganze in den Kolbenraum zu fördernde Hydrauliköl von einer Pumpe gefördert werden. Das aus dem Stangenraum abfließende Hydrauliköl strömt über das Wegeventil zum Tank.

Aus der Druckschrift "Der Hydraulik Trainer, Band 2 - Proportional- und Servoventil-Technik" (Mannesmann Rexroth GmbH, 1. Auflage, ISBN 3-8023-0898-0) ist eine Differentialschaltung bekannt, bei der parallel zum Wegeventil ein federbelastetes Rückschlagventil angeordnet ist. Wird von der Pumpe über das Wegeventil zum Kolbenraum Hydrauliköl gefördert, so dass fließt Hydrauliköl aus dem Stangenraum über das Rückschlagventil zum Pumpenanschluss des Wegeventils, weil der Rückfluss in den Tank durch das Wegeventil abgesperrt ist. Die Pumpe muss also nur die Differenzmenge an Hydrauliköl fördern.

Bei Arbeitsmaschinen, bei denen solche doppeltwirkenden Antriebszylinder angewendet werden, sind die Rohrleitungen zwischen dem Wegeventil und dem doppeltwirkenden Antriebszylinder oftmals sehr lang, beispielsweise 8 m oder mehr. Eine lange Hydraulikölleitung ist aber ein hydraulischer Widerstand, was Energieverluste bedeutet und zu einer Erwärmung des Hydrauliköls führt.

Aus EP 0 831 181 B1 und DE 69717 040 T2 ist eine Schaltung bekannt, bei der eine Schaltung mit einem Rückschlagventil zwischen den Zuführleitungen zum Stangenraum und zum Kolbenraum vorhanden ist. Somit kann Hydrauliköl vom Stangenraum zum Kolbenraum fließen, ohne dass es den Umweg über das Wegeventil nehmen muss. Damit ist das Problem der Energieverluste und der Ölerwärmung entschärft. Die sogenannte Regeneration ist also beim Ausfahren der Stange aus dem Antriebszylinder wirksam, was beispielsweise das Heben einer Last bedeuten kann. Beim Einfahren, also beispielsweise beim Senken der Last, findet keine Regeneration statt. Die gesamte aus dem Kolbenraum des hydraulischen Antriebszylinders austretende Menge an Hydrauliköl muss über das Wegeventil zum Tank abgeführt werden, während die in den Stangenraum zu fördernde Menge des Hydrauliköls von der Pumpe über das Wegeventil fließen muss. Beim Senken der Last muss die Pumpe also Leistung erbringen und die Gesamtmenge des Hydrauliköls muss durch die langen Leitungen fließen.

Aus DE-A1-199 32 948 ist eine gesteuerte Schwebeschaltung für eine Betätigungsvorrichtung bekannt. Dabei ist eine Regeneration vom Kolbenraum zum Stangenraum eines hydraulischen Antriebszylinders möglich, erfordert jedoch zusätzliche Steuermittel, nämlich ein vorsteuerbetätigtes Rückschlagventil, das von einem elektrisch gesteuerten Ventil angesteuert wird. Das elektrisch gesteuerte Ventil seinerseits ist angesteuert durch einen Kontakt einer Schalteranordnung. Bei der einen gezeigten Ausführungsvariante ist darüber hinaus ein zweites vorsteuerbetätigtes Rückschlagventil erforderlich, das von einem Proportionaldrucksteuerteil gesteuert wird. Bei der zweiten gezeigten Ausführungsvariante ist ein zusätzliches Auslassventil nötig, das der Ansteuerung durch ein zweites Proportionaldrucksteuerteil bedarf.

Eine Regeneration vom Kolbenraum zum Stangenraum ist also hier im Prinzip möglich, erfordert aber Steuereingriffe und ist an das Vorhandensein von vorsteuerbetätigten Rückschlagventilen und deren Ansteuerorgane gebunden. Hydraulisch gesteuerte Ventile und deren Ansteuerorgane, die ebenfalls hydraulisch wirken, führen zu Druckverlusten und erfordern damit einen bestimmten Leistungsbedarf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hydraulische Schaltung zu vereinfachen und gleichzeitg den Leistungsbedarf weiter zu reduzieren, indem hydraulische Strömungswiderstände und damit die Ölerwärmung minimiert werden.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1

ein Schema einer Schaltung zur Ansteuerung eines doppeltwirkenden hydraulischen Antriebszylinders,

Fig. 2

das gleiche Schema in einem anderen Betriebszustand,

Fig. 3

ein Schema mit einer abweichenden Lage des Antriebszylinders,

Fig. 4

ein Schema für die Betriebsart Ausfahren,

Fig. 5

eine Schaltungsvariante und

Fig. 6

ein Schema zum Betrieb zweier parallel arbeitender Antriebszylinder.

In der Fig. 1 ist ein doppelwirkender hydraulischer Antriebszylinder 1 gezeigt, in dem durch einen Kolben 2 und eine damit verbundene Kolbenstange 3 eine Last 4 bewegbar ist. Ansteuerbar ist der Antriebszylinder 1 durch ein Wegeventil 5, das in bekannter Weise durch Antriebe 6 steuerbar ist. Das Wegeventil 5 weist in bekannter Weise einen Pumpenanschluss P, einen Tankanschluss T, einen ersten Arbeitsanschluss A und einen zweiten Arbeitsanschluss B auf.

Ein erster Antrieb 6.1 bringt in bekannter Weise das Wegeventil 5 in jene Stellung, bei der der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss B und der Tankanschluss T mit dem Arbeitsanschluss A verbunden sind. Ein zweiter Antrieb 6.2 bringt das Wegeventil 5 in jene Stellung, bei der der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss A und der Tankanschluss T mit dem Arbeitsanschluss B verbunden sind. Ist keiner der Antriebe 6 angesteuert, nimmt das Wegeventil 5 die gezeichnete Stellung ein, die die Neutralstellung des Wegeventils 5 dargestellt.

Der Antriebszylinder 1 weist einen Kolbenraum 11 und einen Stangenraum 12 auf. Durch Zufuhr von Hydrauliköl in den Kolbenraum 11 bei gleichzeitiger Abfuhr von Hydrauliköl aus dem Stangenraum 12 ist für die Last 4 die Funktion "Heben" erreichbar, durch Zufuhr von Hydrauliköl in den Stangenraum 12 bei gleichzeitiger Abfuhr von Hydrauliköl aus dem Kolbenraum 11 die Funktion "Senken". Wie eingangs erwähnt sind dabei die zu- und abströmenden Mengen von Hydrauliköl wegen der unterschiedlichen Querschnitte von Kolbenraum 11 und Stangenraum 12 nicht gleich.

Erfindungsgemäß ist ein Kolbenraum-Anschluss A₁₁ am Kolbenraum 11 über ein Druckbegrenzungsventil 21 und ein selbsttätiges Regenerations-Rückschlagventil 22, das keiner Ansteuerung bedarf, mit einem Stangenraum-Anschluss A₁₂ am Stangenraum 12 verbunden. Über diese Verbindung ist ein Fluss des Hydrauliköls vom Kolbenraum-Anschluss A₁₁ zum Stangenraum-Anschluss A₁₂ möglich, was noch beschrieben werden wird.

Das Druckbegrenzungsventil 21 bewirkt die Begrenzung des Druckes im Kolbenraum 11. Beim Einfahren des Kolbens 2 mit der Stange 3 in den Antriebszylinder 1 öffnet dieses Druckbegrenzungsventil 21, wenn der Druck im Kolbenraum 11 höher ist als der am Druckbegrenzungsventil 21 eingestellte Druck, so dass Hydrauliköl aus dem Kolbenraum 11 abfließen kann, um den Druck zu vermindern, also zu begrenzen. Das Hydrauliköl fließt je nach Betriebsbedingungen auf unterschiedlichen Wegen ab. Mit dem Druckbegrenzungsventil 21 wird der Antriebszylinder 1 auch gegen von außen wirkende Belastungen abgesichert.

Das Regenerations-Rückschlagventil 22 öffnet selbsttätig, wenn an seiner dem Kolbenraum-Anschluss A₁₁ zugewandten Seite ein höherer Druck herrscht als an seiner dem Stangenraum-Anschluss A₁₂ zugewandten Seite. Damit ist eine Regeneration vom Kolbenraum 11 zum Stangenraum 12 möglich, ohne dass zusätzliche Steuermittel betätigt werden müssen.

In der Fig. 1 ist - wie schon erwähnt - die Neutralstellung des Wegeventils 5 dargestellt. Die beiden Antriebe 6 sind dabei nicht angesteuert. So sind die beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit dem Tankanschluss T verbunden. Der Pumpenanschluss P ist abgesperrt.

Zwischen dem Druckbegrenzungsventil 21 und dem selbsttätigen Regenerations-Rückschlagventil 22 verzweigt die Verbindungsleitung, nämlich einerseits über ein erstes Vorspannventil 24 zum Arbeitsanschluss A des Wegeventils 5, und andererseits erfindungsgemäß über ein Lasthalteventil 26 zum Kolbenraum-Anschluss A₁₁. Das Lasthalteventil 26 ist durch einen Steuerdruck p_X ansteuerbar, der an einem Steuerdruckanschluss X ansteht.

Parallel zu erstem Vorspannventil 24 und Lasthalteventil 26 ist ein erstes selbsttätiges Umgehungsrückschlagventil 28 angeordnet. Dadurch kann die Sperrwirkung von erstem Vorspannventil 24 und Lasthalteventil 26 in einer Richtung umgangen werden, so dass Hydrauliköl vom Arbeitsanschluss A des Wegeventils 5 zum Kolbenraum-Anschluss A₁₁ fließen kann, wenn das Wegeventil 5 entsprechend angesteuert ist. Eines Steuereingriffs bedarf es nicht.

Zwischen dem Arbeitsanschluss B des Wegeventils und dem Stangenraum-Anschluss A₁₂ sind zwei Rückschlagventile antiparallel geschaltet, nämlich ein zweites Vorspannventil 30 und ein zweites selbsttätiges Umgehungsrückschlagventil 32. Das zweite Vorspannventil 30 ist damit zwischen dem Stangenraum 12 und dem Tank in Reihe mit dem Wegeventil 5 geschaltet.

Durch die erfindungsgemäße serielle Anordnung von Lasthalteventil 26 und Regenerations-Rückschlagventil 22 zwischen dem Kolbenraum-Anschluss A₁₁ und dem Stangenraum-Anschluss A₁₂ ist es nun möglich, bei in Neutralstellung befindlichem Wegeventil 5, bei der der Pumpenanschluss P gesperrt ist und die beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit dem Tankanschluss T verbunden sind, das Einfahren der Stange in den Antriebszylinder dadurch zu erreichen, dass das Lasthalteventil 26 angesteuert wird. Unter der Wirkung der Last 4 herrscht im Kolbenraum 11 ein höherer Druck als im Stangenraum 12. Wird das Lasthalteventil 26 mit einem Steuerdruck p_X angesteuert, öffnet dieses und das Hydrauliköl kann über das Regenerations-Rückschlagventil 22 in den Stangenraum 12 fließen, ohne dass es eines weiteren Steuereingriffs bedarf.

Weil nun aber bei der Bewegung des Kolbens 2 wegen der unterschiedlichen Querschnitte von Kolbenraum 11 und Stangenraum 12 mehr Hydrauliköl aus dem Kolbenraum 11 abfließt als der Stangenraum 12 aufzunehmen vermag, wird die Differenzmenge über das erste Vorspannventil 24 und/oder über das ein zweite Vorspannventil 30 und somit über die Arbeitsanschlüsse A bzw. B zum Tankanschluss T und damit in den Tank abfließen. Das Einfahren, in diesem Fall identisch mit dem Senken der Last 4, erfolgt also ohne dass Pumpenleistung aufgebracht werden-muss. Die Vorspannventile 24, 30 bewirken, dass nur die Differenzmenge abgeführt wird. Sie sind deshalb erfindungswesentlich.

In der Fig. 2 ist das gleiche Schema wie in der Fig. 1 gezeigt, doch befindet sich nun das Wegeventil 5 in einer anderen Stellung, bei der der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss B und der Tankanschluss T mit dem Arbeitsanschluss A verbunden sind. Diese andere Stellung wird dadurch erreicht, dass der erste Antrieb 6.1 mit dem schon erwähnten Steuerdruck p_X beaufschlagt wird. Fördert die Pumpe Hydrauliköl, so fließt dieses über das Wegeventil 5 und das zweite Umgehungsrückschlagventil 32 in den Stangenraum 12. Gleichzeitig fließt Hydrauliköl vom Kolbenraum 11 wegen des auch hier angesteuerten Lasthalteventils 26 durch dieses und das Regenerations-Rückschlagventil 22 in den Stangenraum 12. Wegen der unterschiedlichen Querschnitte von Kolbenraum 11 und Stangenraum 12 wird auch hier die Differenzmenge über das erste Vorspannventil 24 und somit über den Arbeitsanschluss A des Wegeventils 5 zum Tankanschluss T und damit in den Tank abfließen.

Die in der Fig. 2 gezeigte Betriebsart ergibt gegenüber der Betriebsweise von Fig. 1 eine schnellere Bewegung. Diese Eilgangschaltung erfordert aber nur wenig Energieaufwand für die Pumpe, weil auch hier jener Teil des Hydrauliköls, der vom Kolbenraum 11 direkt über das Lasthalteventil 26 und das Regenerations-Rückschlagventil 22 in den Stangenraum 12 fließt, nicht von der Pumpe gefördert werden muss.

In den Fig. 1 und 2 sind Zustände gezeigt, bei denen die Last 4 oberhalb des Antriebszylinders 1 angreift, weil der Antriebszylinder 1 so geneigt ist, dass das lastseitige Ende der Kolbenstange 3 höher liegt als das kolbenseitige Ende der Kolbenstange 3. Bei einer solchen Anordnung bedeutet das Ausfahren das Heben der Last 4, während das Einfahren das Senken der Last bedeutet. Es gibt Anwendungen, bei denen der hydraulische Antriebszylinder 1 immer diese Lage hat.

Andererseits gibt es aber auch Anwendungen, bei denen der hydraulische Antriebszylinder 1 anders geneigt ist. Dies ist in der Fig. 3 dargestellt. Hier greift die Last 4 unterhalb des Antriebszylinders 1 an, weil der Antriebszylinder 1 so geneigt ist, dass das lastseitige Ende der Kolbenstange 3 tiefer liegt als das kolbenseitige Ende der Kolbenstange 3. Folglich bedeutet hier nun das Einfahren das Heben der Last 4, während das Ausfahren das Senken der Last 4 bedeutet.

Das Einfahren ist hier nicht allein durch Ansteuern des Lasthalteventils 26 gemäß Fig. 1 möglich, weil die Last 4 nicht auf den Kolben 2 drückt, sondern an diesem zieht. Entsprechend ist es also zum Einfahren, das in diesem Fall das Heben der Last 4 bedeutet, erforderlich, die nötige Energie zum Heben der Last 4 durch den Betrieb der Pumpe aufzubringen. Die erfindungsgemäße Schaltung beherrscht aber auch diesen Betriebszustand problemlos. Zusätzlicher Steuermittel und deren Betätigung bedarf es nicht.

In diesem Fall ist die Ansteuerung von Lasthalteventil 26 und Wegeventil 5 gleich wie bei der Fig. 2. Mit dem Steuerdruck p_X werden sowohl das Lasthalteventil 26 als auch der der erste Antrieb 6.1 des Wegeventils 5 beaufschlagt. Deshalb befindet sich das Wegeventil 5 in der gezeigten Stellung, bei der der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss B und der Tankanschluss T mit dem Arbeitsanschluss A verbunden sind. Die Pumpe fördert also Hydrauliköl vom Pumpenanschluss P über den Arbeitsanschluss B durch das sich öffnende zweite Umgehungsrückschlagventil 32 durch den Stangenraum-Anschluss A₁₂ in den Stangenraum 12. Dadurch wird aus dem Kolbenraum 11 Hydrauliköl verdrängt, das über den Kolbenraum-Anschluss A₁₁, durch das wegen der Ansteuerung öffnende Lasthalteventil 26, das sich selbsttätig öffende erste Vorspannventil 24 und die im Wegeventil 5 bestehende Verbindung vom Arbeitsanschluss A zum Tankanschluss T zum Tank ab. Der Druck im Stangenraum 12 ist größer als der Druck im Kolbenraum 11 und das hat zur Folge, dass das Regenerations-Rückschlagventil 22 geschlossen ist. In diesem Betriebszustand findet also keine Regeneration statt.

In der Fig. 4 ist die Betriebsart Ausfahren dargestellt. Durch Ansteuerung des zweiten Antriebs 6.2 nimmt das Wegeventil 5 die gezeigte Stellung ein, bei der im Wegeventil 5 der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss A verbunden ist sowie der Arbeitsanschluss B mit dem Tankanschluss T. Das von der Pumpe geförderte Hydrauliköl ließt vom Pumpenanschluss P zum Arbeitsanschluss A und das sich selbsttätig öffnende erste Umgehungsrückschlagventil 28 in den Kolbenraum 11. Gleichzeitig wird aus dem Stangenraum 12 Hydrauliköl verdrängt, das über das sich selbsttätig öffnende zweite Vorspannventil 30 und die im Wegeventil 5 bestehende Verbindung vom Arbeitsanschluss B zum Tankanschluss T in den Tank abfließt. Das Lasthalteventil 26 ist nicht angesteuert und das Regenerations-Rückschlagventil 22 ist geschlossen.

Das Ausfahren ist dabei unabhängig von der räumlichen Lage des hydraulischen Antriebszylinders 1. Befindet sich der Antriebszylinder 1 in der gezeigten Lage, bedeutet das Ausfahren das Heben der Last 4. Befindet sich der Antriebszylinder 1 in der in der Fig. 3 gezeigten Lage, bedeutet das Ausfahren das Senken der Last. Die durch die Pumpe aufzubringende Leistung ist natürlich in beiden Fällen unterschiedlich.

Das zur Erfindung gehörende Druckbegrenzungsventil 21 hat den Zweck, den Antriebszylinder 1 beim Einfahren vor übermäßigen Belastung zu schützen. Würde der Druck im Kolbenraum 11 größer als der am Druckbegrenzungsventil 21 eingestellte Druck, so öffnet das Druckbegrenzungsventil 21 und Hydrauliköl fließt über das Regenerations-Rückschlagventil 22 zum Stangenraum 12 und/oder über das Vorspannventil 24 und das Wegeventil 5 zum Tank. Welchen Weg es nimmt, hängt von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab.

In vorteilhafter Weise sind das Druckbegrenzungsventil 21, das Regenerations-Rückschlagventil 22, das erste Vorspannventil 24, das Lasthalteventil 26, das erste Umgehungsrückschlagventil 28, das ein zweite Vorspannventil 30 und das zweite Umgehungsrückschlagventil 32 in einem einzigen Ventilblock 40 vereinigt und unmittelbar am Antriebszylinder 1 angebaut.

In der Fig. 5 ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung gezeigt. Prinzipiell ist die Schaltung gleich wie jene nach Fig. 1, jedoch fehlt hier die Parallelschaltung des zweiten Vorspannventils 30 und des zweiten Umgehungsrückschlagventils 32. Somit besteht eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Arbeitsanschluss B und dem Stangenraum 12. Die zum erfindungsgemäßen Betrieb der Schaltung erforderliche Vorspannung des Stangenraums 12 wird erreicht durch ein in der Tankleitung zwischen dem Tankanschluss T und dem Tank angeordnetes weiteres Vorspannventil 45. Dieses übernimmt also die Funktion des zweiten Vorspannventils 30 nach den Fig. 1 bis 4. Das geschilderte Betriebsverhalten ändert sich dadurch nicht. Auch das Vorspannventil 45 ist zwischen dem Stangenraum 12 und dem Tank in Reihe mit dem Wegeventil 5 geschaltet.

In der Fig. 6 sind zwei parallel arbeitende Artriebszylinder 1 gezeigt. Beide greifen an der gleichen Last 4' an. Dies wird angewendet, wenn die Last 4' sehr schwer ist. Jeder Antriebszylinder 1 ist von einer gleichartigen, jener der Fig. 1 entsprechenden Schaltung angesteuert. Gleiche Bezugszahlen bedeuten auch hier gleiche Teile wie in der Fig. 1. Die beiden Antriebszylinder 1 werden parallel von einem einzigen Wegeventil 5 angesteuert, so dass sie völlig gleichartig an die Arbeitsanschlüsse A und B des Wegeventils 5 angeschlossen sind. Auch die beiden Lasthalteventil 26 werden durch den Steuerdruck p_X parallel angesteuert.

Für einen solchen Parallelbetrieb zweier Antriebszylinder 1 ist aber zusätzlich noch eine Ausgleichsleitung 49 erforderlich, mit der die Kolbenräume 11 beider Antriebszylinder 1 verbunden sind. Jedem der Antriebszylinder 1 ist dabei eine Ausgleichsleitungsdüse 50 und ein Ausgleichsleitungs-Rückschlagventil 51 zugeordnet, die parallel zueinander in der Ausgleichsleitung 49 angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass die Drücke in den beiden Kolbenräumen 11 gleich groß sind. Ist der Druck in einem der Kolbenräume 11 größer, so kann zum Druckausgleich Hydrauliköl von diesem Kolbenraum 11 in den Kolbenraum 11 des anderen Antriebszylinders 1 fliessen, wobei das Hydrauliköl zunächst die nächstgelegene Ausgleichsdüse 50 und anschließend das dem anderen Antriebszylinder 1 zugeordnete Ausgleichsleistungs-Rückschlagventil 51 passiert.

Der zuvor erwähnte Ventilblock 40 kann auch das Wegeventil 5 mit umfassen, ebenso das allenfalls vorhandene weitere Vorspannventil 45.

Durch die Erfindung wird erreicht, dass eine Regeneration vom Kolbenraum 11 zum Stangenraum 12 stattfinden kann. Damit wird beim Einfahren kein komprimiertes Hydrauliköl durch die oftmals lange Leitung zwischen Antriebszylinder 1 und Wegeventil 5 gefördert. Es wird Energie zum Betrieb der Pumpe eingespart und das dynamische Verhalten des Antriebszylinders 1 ist verbessert.