Die Erfindung betrifft ein Druckmittelsystem, insbesondere ein Hydrauliksystem einer Spannvorrichtung zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern, wie beispielsweise Werkstückpaletten.

Derartige Spannvorrichtungen mit einem Hydrauliksystem sind beispielsweise aus DE 31 36 177 A1 bekannt und enthalten eine Hydraulikpumpe, einen Drucksensor und ein Druckbegrenzungsventil sowie eine Steuereinheit.

Die Hydraulikpumpe erzeugt den zum Betrieb der Spannvorrichtung erforderlichen Hydraulikdruck, wobei die Hydraulikpumpe beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben werden kann.

Das Druckbegrenzungsventil ist zwischen der Hydraulikpumpe und dem hydraulischen Verbraucher der Spannvorrichtung angeordnet und führt das Hydrauliköl beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts in einen Hydrauliköltank zurück, um den Hydraulikdruck auf den zugelassenen Maximalwert zu begrenzen.

Diese Druckbegrenzung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Hydraulikpumpe aufgrund einer Störung einen größeren Volumenstrom fördert als zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Soll-Werts erforderlich ist.

Darüber hinaus kann diese Druckbegrenzung aber auch erforderlich sein, wenn sich das in dem Hydrauliksystem eingeschlossene Hydrauliköl aufgrund einer Erwärmung ausdehnt, was mit einem entsprechenden Druckanstieg verbunden ist.

Die Steuereinheit misst mittels des Drucksensors den von der Hydraulikpumpe erzeugten Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe ein, wenn der Hydraulikdruck einen vorgegebenen Mindestwert (Einschaltdruck) unterschreitet. Bei dem anschließenden Druckaufbau misst die Steuereinheit mittels des Drucksensors laufend den aktuellen Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe aus, wenn der von dem Drucksensor gemessene Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert (Ausschaltdruck) überschreitet. Auf diese Weise wird der Hydraulikdruck im Betrieb des Spannsystems zwischen dem Mindestwert und dem Soll-Wert gehalten.

Die Figuren 5A bis 5D zeigen für ein solches herkömmliches Hydrauliksystem den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks (Figur 5A), des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe (Figur 5B), des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Verbrauchers (Figur 5C) und des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Druckbegrenzungsventils (Figur 5D).

Dieses bekannte Hydrauliksystem weist verschiedene Nachteile auf, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Zum Einen muss ein Teil des von der Hydraulikpumpe geförderten Volumenstroms über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden, wenn der Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert überschreitet. Diese Druckbegrenzung ist jedoch mit einer entsprechenden Verlustleistung des Druckbegrenzungsventils verbunden.

Zum Anderen wird die Hydraulikpumpe meist bei einem hohen Hydraulikdruck nahe dem Soll-Wert betrieben, was mit einer entsprechend hohen Belastung der Hydraulikpumpe und mit einem entsprechend hohen Energieaufwand verbunden ist.

Weiterhin besteht das Problem, dass die Hydraulikpumpe wieder eingeschaltet werden muss, wenn der Hydraulikdruck unter einen vorgegebenen Minimaldruck abgefallen ist. Problematisch hierbei ist die Tatsache, dass dieses sogenannte Nachschalten der Hydraulikpumpe nicht sofort zu einem Druckanstieg führt, was verschiedene Ursachen hat. Zum einen weist das Motorrelais der Hydraulikpumpe eine bestimmte Totzeit auf, wodurch sich das Anlaufen der Hydraulikpumpe verzögert. Darüber hinaus benötigt die Hydraulikpumpe aufgrund ihrer Massenträgheit eine bestimmte Anlaufzeit. Zum anderen weist aber auch der Hydraulikdruck in dem Hydrauliksystem eine Zeitkonstante auf und steigt nach dem Anlaufen der Hydraulikpumpe linear an. Diese zeitliche Verzögerung kann beim Nachschalten der Hydraulikpumpe dazu führen, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.

Aus DE 199 59 706 A1 und DE 10 2005 060 321 A1 sind Druckmittelsysteme für ein Kraftfahrzeugbremssystem bekannt, wobei ebenfalls das Phänomen auftritt, dass eine Hydraulikpumpe beim Ausschalten nicht sofort stehen bleibt, sondern einen Nachlauf aufweist. Der mögliche Druckanstieg während dieses Nachlaufs beim Ausschalten wird jedoch bei diesen Druckschriften dadurch kompensiert, dass die Steuerzeiten für nachgeschaltete Ventile entsprechend modifiziert werden. Hierbei wird also der Druckanstieg während des Nachlaufs nicht verhindert, sondern durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen kompensiert.

Ferner ist zum Stand der Technik aus anderen technischen Gebieten hinzuweisen auf DE 20 2008 011 507 U1, DE 697 15 709 T2 und DE 197 13 576 A1.

Schließlich ist zum Stand der Technik noch hinzuweisen auf DE 10 2005 002 443 A1, US 2004/0098984 A1 und US 005 829 335 A. Diese Druckschriften offenbaren jedoch lediglich eine herkömmliche Regelung einer Pumpe, indem beispielsweise die Förderleistung der Pumpe durch Ansteuerung der Pumpe mit einem einstellbaren Tastverhältnis variiert wird. Hierbei handelt es sich also um eine kontinuierliche Regelung im Gegensatz zu einem Einschalten bzw. Abschalten der Pumpe, wie es im Rahmen der Erfindung vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Hydrauliksystem zu schaffen, das diese Nachteile möglichst weitgehend vermeidet.

Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass die Fluidpumpe (z.B. Hydraulikpumpe) auch nach dem Abschalten ihres Antriebs noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (z.B. Hydraulikdruck) auch noch nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs der Fluidpumpe etwas ansteigt.

Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Fluidpumpe beim Druckaufbau bereits abgeschaltet wird, bevor der Fluiddruck den vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat. Während des anschließenden Nachlaufs der Fluidpumpe steigt der Fluiddruck dann noch von dem Abschaltdruck mit einem bestimmten Nachlauf-Druckanstieg in Richtung des vorgegebenen Soll-Werts an. Die Erfindung nutzt also die kinetische Energie der Fluidpumpe, des Antriebs der Fluidpumpe und/oder der von der Fluidpumpe geförderten Flüssigkeitssäule aus.

Zum Einen bietet das den Vorteil, dass die Fluidpumpe weniger oft bei hohen Fluiddrücken nahe dem Soll-Wert betrieben wird, wodurch die Fluidpumpe geschont wird und weniger Antriebsenergie verbraucht.

Zum Anderen bietet die Erfindung aber auch den Vorteil, dass weniger Fluid (z.B. Hydrauliköl) über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss, wodurch das Druckbegrenzungsventil geschont wird und weniger Verlustleistung anfällt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Abschaltdruck so bemessen, dass die Druckdifferenz zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert und dem Abschaltdruck kleiner ist als der Nachlauf-Druckanstieg. Dies bedeutet, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe zumindest noch bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigt. Der Nachlauf-Druckanstieg sollte also vorzugsweise hinreichend groß sein, um die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem Soll-Wert zu überbrücken.

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Druckanstieg während des Nachlaufs der Fluidpumpe asymptotisch bis auf einen Endwert verläuft, so dass der Druckanstieg im oberen Druckbereich zu dem Endwert hin immer langsamer erfolgt. Es ist jedoch in der Regel wünschenswert, dass sich der vorgegebene Soll-Wert des Fluiddrucks während des Nachlaufs möglichst schnell einstellt. Vorzugsweise ist der Abschaltdruck deshalb so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert um mindestens 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 100% oder 200% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass zur Überbrückung der Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert der relativ steil verlaufende anfängliche Druckanstieg während des Nachlaufs ausgenutzt wird, so dass sich der vorgegebene Soll-Wert nach dem Abschalten der Fluidpumpe relativ schnell einstellt.

Andererseits ist es nicht nötig, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs noch wesentlich weiter ansteigt als bis auf den gewünschten Soll-Wert. Der Abschaltdruck ist deshalb vorzugsweise so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert um höchstens 200%, 100%, 50%, 20%, 10%, 5%, 2% oder 1% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass während des Nachlaufs der Fluidpumpe nur wenig überschüssiges Fluid anfällt, das dann über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss.

Die vorstehend genannten prozentualen Werts sind möglich, wenn man bestimmte Faktoren bei der Berechnung verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf feste Werte festgelegt. Je nach Stabilität und Charakteristik des Hydrauliksystems gibt es verschiedene Werte. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung jedoch der kleinste mögliche Wert verwendet. Dies richtet sich nach der Güte der Berechnung, der Konstanz der Parameter des Hydrauliksystems und hier insbesondere nach der Steifheit des Systems, der Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung und des Antriebs. Wünschenswert sind Werte unter 5 %.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abschaltung und/oder die Anschaltung der Fluidpumpe bzw. des Antriebs der Fluidpumpe druckgesteuert. Dies bedeutet, dass die Steuereinheit mittels des Drucksensors den Fluiddruck misst. Die Steuereinheit schaltet die Fluidpumpe dann beim Druckaufbau ab, wenn der gemessene Fluiddruck den vorgegebenen Abschaltdruck überschreitet. Darüber hinaus kann die Steuereinheit die Fluidpumpe wieder einschalten, wenn der gemessenen Fluiddruck den vorgegebenen Einschaltdruck unterschreitet.

Bei der Festlegung des Abschaltdrucks ist zu berücksichtigen, dass der Nachlauf-Druckanstieg nicht nur von der Trägheit der Fluidpumpe und ihres Antriebs abhängt, sondern auch von dem aktuell geförderten und abfließenden Förderstrom. Falls beispielsweise ein großer Förderstrom über den Verbraucher abfließt, so ist der Nachlauf-Druckanstieg nur sehr gering. Bei der Festlegung des Abschaltdrucks wird deshalb vorzugsweise der aktuell abfließende Förderstrom der Fluidpumpe berücksichtigt.

Eine Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht darin, die Pumpendrehzahl der Fluidpumpe zu messen oder aus der Motorsteuerung abzuleiten, wobei der Förderstrom dann zumindest näherungsweise aus der Pumpendrehzahl abgeleitet werden kann.

Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht in der Messung mittels eines Volumenstromsensors.

Eine weitere Möglichkeit sieht dagegen vor, dass der Förderstrom der Fluidpumpe als bekannt vorausgesetzt wird.

Die Trägheit des Systems aus Fluidpumpe und deren Antrieb spiegelt sich im Betrieb in der zeitlichen Druckänderung beim Druckaufbau wieder, d.h. in der ersten zeitlichen Ableitung des Fluiddrucks. So deutet ein schneller Druckanstieg während des Druckaufbaus auf eine entsprechend hohe Trägheit und einen hohen Nachlauf-Druckanstieg hin. Vorzugsweise wird deshalb die zeitliche Druckänderung beim Druckaufbau gemessen und als Maß für die Trägheit der Fluidpumpe berücksichtigt.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Abschaltdruck im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckmittelsystems vorzugsweise dynamisch an den aktuellen Betriebszustand angepasst wird. Dies bedeutet, dass der Abschaltdruck laufend an den aktuellen Betriebszustand (z.B. Drehzahl, Fluiddruck, Druckanstieg, etc.) angepasst wird.

Bei dieser dynamischen Anpassung des Abschaltdruck werden vorzugsweise die folgenden Randbedingungen bzw. Optimierungsziele berücksichtigt:

• Während des Nachlaufs soll der Fluiddruck auf jeden Fall bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigen.
• Nach dem Abschalten der Fluidpumpe soll sich der vorgegebene Soll-Wert für den Fluiddruck möglichst schnell einstellen.
• Während des Nachlaufs soll möglichst wenig überschüssiges Fluid-gefördert werden, das zum Erreichen des Soll-Werts nicht erforderlich ist und über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Abschaltdruck deshalb nach folgender Formel berechnet und während des Betriebs laufend angepasst: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{AUS}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{SOLL}}-\left(\mathrm{K}\mathrm{1}/{\mathrm{P}}_{\mathrm{SOLL}}+\mathrm{K}\mathrm{2}\right)\cdot {\mathrm{dP}}_{\mathrm{IST}}/\mathrm{dt}\cdot \mathrm{1}/\mathrm{Q}$$
mit:

P_AUS:

Abschaltdruck.

P_SOLL:

Soll-Wert für den Fluiddruck.

K1:

Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Fluidpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.

K2:

Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt.

P_IST:

Aktueller Fluiddruck.

dP_IST/dt:

Zeitlicher Druckanstieg.

Q:

Förderstrom der Fluidpumpe.

Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Berechnung des Abschaltdrucks nicht auf die vorstehend genannte Formel beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Formeln zur Berechnung des Abschaltdrucks realisierbar.

In einer Variante der Erfindung ist die Steuereinheit baulich in den Drucksensor integriert und erzeugt ein Abschaltsignal für die Motorsteuerung. Es ist aber alternativ auch möglich, dass die Steuereinheit baulich von dem Drucksensor getrennt ist und von dem Drucksensor ein Drucksignal als analoges Signal erhält.

Bei einem Verbraucher kann es notwendig sein, dass der Druck noch einmal nachgeschaltet wird, zum Beispiel, dass sich mit zeitlicher Verzögerung ein Nachsetzen ergibt oder ein kleines Leck auftritt oder dass durch eine starke Abkühlung der Druck sich etwas reduzieren kann. Ein derartiger Nachschaltdruck liegt typischerweise 5-10 % unter dem vorgegebenen Soll-Wert P_SOLL, aber über dem Abschaltdruck P_AUS. In diesem Fall darf nur eine ganz kleine Fördermenge in das System eingespeist werden und bedarf einer weiteren Ansteuerung, wenn nicht eine überschüssige Ölmenge über das Druckbegrenzungsventil abgelassen werden soll. Für diesen Fall wird die Einschaltdauer des Antriebsmotors der Fluidpumpe ("Druckmotor") so weit reduziert, dass nur die Drehzahl erreicht wird, um einen geringeren Druckaufbau durch Nachlauf zu erzielen. Dies geschieht durch eine Reduzierung der Konstante K1 des Fördervolumens Q und einer proportional dazu reduzierte Anlaufzeit des Pumpenmotorantriebs.

Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Begriffe des Ein-bzw. Ausschaltens der Fluidpumpe stellen vorzugsweise darauf ab, dass der Antrieb der Fluidpumpe vollständig an- bzw. abgeschaltet wird. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Varianten, bei denen der Antrieb der Fluidpumpe lediglich hoch- oder heruntergefahren wird.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Druckmittelsystem um ein Hydrauliksystem. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Druckmittelsystemen realisierbar, wie beispielsweise bei Pneumatiksystemen. Entscheidend ist lediglich, dass die Fluidpumpe nach ihrem Abschalten noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, während dessen der Fluiddruck noch ansteigt.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Druckmittelsystem vorzugsweise einen Verbraucher umfasst, der mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. Bei dem Verbraucher handelt es sich vorzugsweise um ein Spannsystem zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern wie beispielsweise Werkstückpaletten. Derartige Spannsysteme sind an sich bekannt und beispielsweise in DE 31 36 177 A1 beschrieben, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Druckmittelsysteme mit anderen Typen von Verbrauchern.

Ein anderer Aspekt der Erfindung befasst sich mit dem Problem, dass die Fluidpumpe beim Anschalten (Nachschalten) einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Vorlaufs der Fluidpumpe noch nicht wesentlich ansteigt, obwohl die Fluidpumpe bereits angeschaltet ist. Die Gründe für diesen Vorlauf bestehen - wie schon eingangs kurz erläutert - zum einen in der Totzeit des Motorrelais der Fluidpumpe und zum anderen in dem verzögerten Druckaufbau in dem Druckmittelsystem.

Die Erfindung sieht deshalb vorzugsweise auch vor, dass die Steuereinheit beim Absinken des Fluiddrucks im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe die Fluidpumpe bereits wieder einschaltet, bevor der Fluiddruck auf einen vorgegebenen Minimaldruck (z.B. 5% unter Soll-Druck) gefallen ist, der nicht unterschritten werden soll. Der Einschaltdruck (Nachschaltdruck) der Fluidpumpe ist also vorzugsweise größer als der vorgegebene Minimaldruck, der nicht unterschritten werden soll. Dies bietet den Vorteil, dass der möglicherweise auftretende weitere Druckabfall während des trägheitsbedingten Vorlaufs der Fluidpumpe nicht dazu führt, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfasst die Steuereinheit im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe mittels eines Drucksensors die zeitliche Änderung des Fluiddrucks. Der Einschaltdruck wird dann von der Steuereinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Fluiddrucks im abgeschalteten Zustand der Fluidpumpe, dem

Abschaltdruck und dem vorgegebenen Minimaldruck berechnet, wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgen kann: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{EIN}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{MIN}}-\left(\mathrm{k}\mathrm{1}+\mathrm{k}\mathrm{2}\cdot {\mathrm{P}}_{\mathrm{AUS}}\right)\cdot {\mathrm{dP}}_{\mathrm{IST}}/\mathrm{dt}$$
mit:

k1, k2:

Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren.

P_AUS:

Abschaltdruck, der unter Berücksichtigung des Nachlaufs beim Hochfahren des Drucks dazu führt, dass der Drucksollwert P_SOLL erreicht wird.

dP/dt:

Zeitliche Änderung des Fluiddrucks nach Erreichen des Maximalwertes. Die Steigung ist hierbei negativ, so dass der Nachschaltdruck P_EIN größer ist als der vorgegebene Minimaldruck P_MIN.

Der Einschaltdruck (Nachschaltdruck) ist also vorzugsweise so bemessen, dass der Fluiddruck nach dem Anschalten der Fluidpumpe während des Vorlaufs der Fluidpumpe nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck abfällt.

Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren umfasst, wie sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems zur Hydraulikversorgung einer Spannvorrichtung.

Figur 2

das Betriebsverfahren des Hydrauliksystems aus Figur 1 in Form eines Flussdiagramms.

Figur 3A

den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in dem Hydrauliksystem gemäß Figur 1.

Figur 3B

den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe.

Figur 3C

den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems.

Figur 3D

eine vergrößerte Darstellung des Druckverlaufs während des Nachlaufs der Hydraulikpumpe.

Figur 4

eine Abwandlung des Hydrauliksystems gemäß Figur 1, wobei die Steuereinheit in den Drucksensor integriert ist.

Figur 5A

den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in einem herkömmlichen Hydrauliksystem.

Figur 5B

den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe in dem herkömmlichen Hydrauliksystem.

Figur 5C

den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems in dem herkömmlichen Hydrauliksystem.

Figur 5D

den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Druckbegrenzungsventils in dem herkömmlichen Hydrauliksystem,

Figur 6

den zeitlichen Verlauf des Fluiddrucks in einem erfindungsgemäßen Druckmittelsystem, wobei der trägheitsbedingte Vorlauf der Hydraulikpumpe beim Nachschalten berücksichtigt wird, sowie

Figur 7

ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Nachschaltens der Hydraulikpumpe zur Berücksichtigung des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem mit einer Hydraulikpumpe 1, die von einem Elektromotor 2 angetrieben wird und ein mechanisches Spannsystem 3 mit dem zum Betrieb erforderlichen Hydraulikdruck versorgt.

Die Hydraulikpumpe 1 ist eingangsseitig mit einem Hydrauliköltank 4 verbunden, aus dem die Hydraulikpumpe 1 Hydrauliköl entnimmt und über ein Rückschlagventil RV in einen Hochdruckbereich 5 pumpt, an den das Spannsystem 3 angeschlossen ist.

Darüber hinaus weist das Hydrauliksystem ein Druckbegrenzungsventil 6 auf, das den Hochdruckbereich 5 mit dem Hydrauliköltank 4 verbindet. Das Druckbegrenzungsventil 6 ist im Normalzustand geschlossen und öffnet, wenn der aktuelle Hydraulikdruck P_IST in dem Hochdruckbereich 5 einen vorgegebenen Maximalwert P_MAX überschreitet.

Ferner weist das Hydrauliksystem einen Drucksensor 7 auf, der den aktuellen Hydraulikdruck P_IST in dem Hochdruckbereich 5 misst und an eine Steuereinheit 8 weiterleitet, die eine Motorsteuerung 9 in Abhängigkeit von dem gemessenen Hydraulikdruck P_IST ansteuert, wobei die Steuereinheit 8 den Elektromotor 2 wahlweise anschaltet oder abschaltet.

Bei der Ansteuerung des Elektromotors 2 berücksichtigt die Steuereinheit 8 auch den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1, da der aktuelle Förderstrom Q den Nachlauf-Druckanstieg beeinflusst. Hierzu ist die Steuereinheit 8 mit einem Drehzahlsensor 10 verbunden, der die Drehzahl n des Elektromotors 2 und damit auch die Pumpendrehzahl erfasst. Aus der Pumpendrehzahl n berechnet die Streuereinheit 8 dann den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1.

Darüber hinaus ist ein Druckreduzierventil 11 vorgesehen, dass zwischen der Hydraulikpumpe 1 und dem Rückschlagventil RV abzweigt und im geöffneten Zustand Hydrauliköl in den Hydrauliktölank 4 zurückführt, wobei das Druckreduzierventil 11 von der Steuereinheit 8 angesteuert wird. Die Steuereinheit 8 öffnet das Druckreduzierventil 11, wenn der Soll-Wert P_SOLL abgesenkt wird. Dies ist sinnvoll, damit der Hydraulikdruck P_IST möglichst schnell auf den neuen, geringeren Soll-Wert P_SOLL absinkt.

Die Steuereinheit 8 berechnet dann während des Betriebs laufend (vgl. Schritt S1 in Figur 2) einen Abschaltdruck P_AUS nach folgender Formel: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{AUS}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{SOLL}}-\left(\mathrm{K}\mathrm{1}/{\mathrm{P}}_{\mathrm{SOLL}}+\mathrm{K}\mathrm{2}\right)\cdot {\mathrm{dP}}_{\mathrm{IST}}/\mathrm{dt}\cdot \mathrm{1}/\mathrm{Q}$$
mit:

P_AUS

Abschaltdruck.

P_SOLL:

Soll-Wert für den Fluiddruck.

K1:

Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Fluidpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.

K2:

Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt.

P_IST:

Aktueller Fluiddruck.

dP_IST/dt:

Zeitlicher Druckanstieg.

Q:

Förderstrom der Fluidpumpe.

Die gerätespezifischen Konstanten K1, K2 können zuvor in einem Kalibrierungsverfahren ermittelt werden.

Im ausgeschalteten Zustand der Hydraulikpumpe misst die Steuereinheit 8 mittels des Drucksensors 7 laufend den Hydraulikdruck P_IST in dem Hochdruckbereich 5 (vgl. Schritt S2 in Figur 2).

Die Steuereinheit 8 prüft dann laufend, ob der gemessene Hydraulikdruck P_IST einen vorgegebenen Einschaltdruck P_EIN unterschreitet (vgl. S3 in Figur 2).

Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Einschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 einschaltet, um den Hydraulikdruck P_IST zu erhöhen (vgl. Schritt S4 in Figur 2).

Bei dem anschließenden Druckaufbau prüft die Steuereinheit 8 dann laufend, ob der aktuelle Hydraulikdruck P_IST den Abschaltdruck P_AUS überschreitet (vgl. Schritt S5).

Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Abschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 abschaltet (vgl. Schritt S6).

Bei dem anschließenden trägheitsbedingten Nachlauf der Hydraulikpumpe 1 steigt der Hydraulikdruck P_IST trotz des ausgeschalteten Elektromotors 2 noch trägheitsbedingt an, wobei der Nachlauf-Druckanstieg ΔP_NACHLAUF (vgl. Figur 3D) ausreicht, um die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Abschaltdruck P_AUS und dem vorgegebenen Soll-Wert P_SOLL zu überbrücken. Während des Nachlaufs steigt der Hydraulikdruck P_IST also von dem Abschaltdruck P_AUS bis auf den Soll-Wert P_SOLL an.

Während des Nachlaufs prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck P_IST einen vorgegebenen Maximalwert P_MAX übersteigt (vgl. Schritt S7 in Figur 2).

Falls dies der Fall ist, so öffnet das Druckbegrenzungsventil 6 automatisch und leitet das überschüssige Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zurück, um einen weiteren Druckanstieg über den Maximalwert P_MAX hinaus zu verhindern (vgl. Schritt S8 in Figur 2).

Darüber hinaus prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck P_IST unter den vorgegebenen Soll-Wert P_SOLL gefallen ist (vgl. Schritt S9 in Figur 2).

Falls dies der Fall sein sollte, so schließt das Druckbegrenzungsventil 6 selbsttätig, um ein weiteres Abfließen von Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zu verhindern, da der Hydraulikdruck P_IST dadurch noch weiter unter den vorgegebenen Soll-Wert P_SOLL abfallen würde (vgl. Schritt S10 in Figur 2).

Aus Figur 3D ist weiterhin ersichtlich, dass der ohne eine Druckbegrenzung maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg ΔP_NACH-LAUF größer ist als die zu überbrückende Druckdifferenz ΔP zwischen dem Abschaltdruck P_AUS und dem vorgegebenen Soll-Wert P_SOLL. Dies ist vorteilhaft, weil der Druckanstieg während des Nachlaufs dadurch relativ schnell erfolgt. Allerdings wird dieser Vorteil mit dem Nachteil erkauft, dass ein Teil des während des Nachlaufs geförderten Hydrauliköls über das Druckbegrenzungsventil 6 in den Hydrauliköltank 4 zurückgeführt werden muss.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitergehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Steuereinheit 8 in einem gemeinsamen Gehäuse 11 mit dem Drucksensor 7 angeordnet ist.

Die Figuren 6 und 7 verdeutlichen einen Erfindungsaspekt, der auf das Problem des trägheitsbedingten zeitlichen Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 abstellt. So steigt der Hydraulikdruck P_IST nach dem Einschalten (Nachschalten) der Hydraulikpumpe 1 zum Zeitpunkt t_EIN nicht sofort wieder an, da der Druckanstieg durch die Totzeit des Motorrelais der Hydraulikpumpe 1 verzögert wird und auch der Druckanstieg selbst eine gewisse Vorlaufzeit benötigt. Die Erfindung sieht deshalb in diesem Aspekt vor, dass die Hydraulikpumpe 1 beim Nachschalten bereits wieder bei einem Einschaltdruck P_EIN eingeschaltet wird, der über dem vorgegebenen Minimaldruck P_MIN liegt, damit der vorgegebene Minimaldruck P_MIN trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unterschritten wird.

In einem ersten Schritt S1 werden hierzu gerätespezifische Konstanten K1, K2 ermittelt, die den Druckanstieg nach dem Anschalten der Hydraulikpumpe 1 während des Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 kennzeichnen.

In einem weiteren Schritt S2 wird der Minimaldruck P_MIN vorgegeben, der nicht unterschritten werden soll.

Darüber hinaus wird in einem Schritt S3 der Abschaltdruck P_AUS berechnet, der beim Hochfahren des Fluiddrucks P_IST zu einem Abschalten der Hydraulikpumpe 1 führt. Die Berechnung des Abschaltdrucks P_AUS wurde bereits vorstehend ausführlich erläutert, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.

In einer Schleife wird zunächst in einem Schritt S4 der Fluiddruck P_IST gemessen.

Darüber hinaus wird in der Schleife dann in einem Schritt S5 die zeitliche Änderung dP_IST/dt des Fluiddrucks P_IST berechnet.

In einem weiteren Schritt S6 wird dann nach folgender Formel der Anschaltdruck P_EIN berechnet: $${\mathrm{P}}_{\mathrm{EIN}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{MIN}}-\left(\mathrm{k}\mathrm{1}+\mathrm{k}\mathrm{2}\cdot {\mathrm{P}}_{\mathrm{AUS}}\right)\cdot {\mathrm{dP}}_{\mathrm{IST}}/\mathrm{dt}\mathrm{.}$$

In einem Schritt S7 wird dann in der Schleife geprüft, ob der gemessene Fluiddruck P_IST den berechneten Anschaltdruck P_EIN unterschreitet. Falls dies der Fall ist, so wird die Hydraulikpumpe 1 in einem Schritt S8 eingeschaltet. Andernfalls werden die vorstehend genannten Schritte S4-S7 in einer Schleife wiederholt.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Fluiddruck P_IST trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck P_MIN abfällt, der nicht unterschritten werden soll.

Das Nachschalten in der vorgeschlagenen Weise ist vorteilhaft, weil wieder die kinetische Energie der Pumpen-MotorEinheit ausgenutzt wird und sich kein wesentlich höherer Druck als der Solldruck einstellt. Somit kann mit einer derartigen Einrichtung ein Druckwert eingestellt werden, ohne dass zuviel Ölvolumen durch die Pumpe gefördert wurde, welches über ein Begrenzungsventil wieder abgeführt werden muss.

In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Abschalten der Pumpe bereits vor Erreichen des Soll-Werts P_SOLL ergibt sich ein Druckeinstellsystem, bei dem das Druckbegrenzungsventil 6 nur noch der Sicherheit dient. Die Druckeinstellung wird durch die Veränderung des Soll-Wertes P_SOLL vorgenommen.

Durch die Verwendung des Abschaltdrucks P_AUS aus dem erstmaligen Druckanstieg wird etwas mehr Energie in das Hydrauliksystem gegeben, da der Druck nur im System aus der Hydraulikpumpe 1 und dem Druckrohr aufgebaut werden muss und erst nach dem Öffnen des Rückschlagventils RV das gesamte Hydrauliksystem angeschlossen ist.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.

1

Hydraulikpumpe

2

Elektromotor

3

Spannsystem

4

Hydrauliköltank

5

Hochdruckbereich

6

Druckbegrenzungsventil

7

Drucksensor

8

Steuereinheit

9

Motorsteuerung

10

Drehzahlsensor

11

Druckreduzierventil

k1, k2

Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren

K1

Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Fluidpumpe und Antriebsmotor wiedergibt

K2

Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt

n

Drehzahl des Elektromotors

P_AUS

Abschaltdruck

P_EIN

Einschaltdruck

P_IST

Hydraulikdruck

P_MIN

Minimal

P_MAX

Maximaldruck

P_SOLL

Soll-Wert

ΔP

Druckdifferenz zwischen Abschaltdruck und Soll-Wert

ΔP_NACHLAUF

Nachlauf-Druckanstieg

RV

Rückschlagventil

Q

Förderstrom der Hydraulikpumpe

dP_IST/dt

zeitliche Änderung des Hydraulikdrucks