DE10004905C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Hubzylinders insbesondere von Arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Steuerung eines Hubzylinders der im Anspruch 1 bzw. 2 angegebenen Gattung.

Hydraulische Hubzylinder von Arbeitsmaschinen können, wenn sie unter Last stehen, ohne zusätzliche Energiezufuhr abge­ senkt werden, wobei es üblich ist, sowohl auf der Kolben­ seite, d. h. im Druckzylinder-, wie auch auf der Stangensei­ te, d. h. im Saugzylinderraum, eine Ölfüllung vorzunehmen.

Es ist bei Hubzylindern von Arbeitsmaschinen bekannt, diese dadurch abzusenken, daß man das von der Last ausgeschobene Drucköl durch eine Steuereinheit oder frei einem Tank zu­ leitet, während die Hydraulikpumpe Hydrauliköl auf die Saugseite des Zylinders fördert, um Kavitation zu vermeiden (DE 196 51 504 A1). Dabei ist es nachteilig, daß zur Füllung der Saugseite zusätzliche Energie aufgewandt werden muß.

Eine andere Lösung besteht darin, die Saugseite des Zylin­ ders mit dem Tank zu verbinden, so daß das Öl von der Saug­ seite aus dem Tank angesogen wird mit dem Nachteil, daß die Leitungswiderstände zwischen Zylinder und Tank überwunden werden müssen, was zu einer unvollständigen Füllung des Zylinders führen kann. Dem begegnet man durch Drosseln im Tankrücklauf, die allerdings Wärme erzeugen, die durch Küh­ lung abgeführt werden muß.

Aus Gründen der Energieeinsparung besteht die Forderung darin, die Zylinder ohne Zufuhr von Energie gesteuert ab­ senken zu können, d. h. die Energie des von der Hubseite abfließenden Hydrauliköls zur Füllung der Saugseite zu nut­ zen unter Vermeidung von Drosseln. Dazu ist es bekannt, das unter Druck stehende, abfließende Hydrauliköl durch ein Steuerelement auf die Saugseite des Zylinders zu leiten, wobei beispielsweise ein gesondertes Senkventil zwischen Zylinder und Hauptsteuerventil vorgesehen ist, das beim Senkvorgang anstelle des Hauptschiebers betätigt wird, um die erforderliche Teilmenge auf die Saugseite des Zylinders zu leiten, während die Restmenge unter Umgehung des Haupt­ schiebers in den Tank abfließen kann.

Darüber hinaus ist eine weitere Lösung bekannt, die darin besteht, den Hauptsteuerschieber für den Hubzylinder als Hohlkolben auszubilden, der in der Senkposition eine Über­ leitung von der Druckseite zur Saugseite des Zylinders her­ stellt, wobei im Hohlkolben ein Rückschlagventil angeordnet ist und die Verbindung bei Normalbetrieb unterbricht. Die Herstellung eines derartigen Hohlkolbens als Steuerkolben im Hauptsteuerschieber ist aufwendig, wobei die entsprechende Schaltung zum Senken unter Schwerkraft den Nachteil hat, daß durch den Hubzylinder keine zusätzliche Kraft in Senkrichtung aufgebracht werden kann. Um auch in Senkrich­ tung eine Wirkung zu erreichen, muß die Schaltung zum Sen­ ken unter Schwerkraft ausgeschaltet werden.

Gegenüber den oben beschriebenen bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Verfahrensweise bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, die unter Einstellung des Steuerschiebers unter allen Druckverhältnissen beim Senk­ vorgang den Saugraum des Zylinders ausreichend füllt, wobei automatisch eine Umschaltung auf Normalbetrieb des Zylin­ ders vorgenommen wird, sobald eine zusätzliche Zylinder­ kraft in Senkrichtung benötigt wird.

Mit einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst,

• - daß von der Hydraulikpumpe im Steuerelement ein Vertei­ lerkanal beaufschlagt wird, wobei über einen Steuerkolben der Druckraum oder der Saugraum des Hubzylinders zuge­ schaltet wird,
• - daß bei einem ersten vorbestimmten, durch die externe Kraft/Last (P) bewirkte Druck im Druckraum dieser über ein Rückschlagventil mit diesem Verteilerkanal verbunden und über ein von einem Drucksensor beeinflußbares Sperrventil der Zufluß der Hydraulikpumpe zum Verteilerkanal gesperrt wird, wobei dem Verteilerkanal der Saugraum zugeschaltet ist, und
• - daß bei Erreichen eines zweiten vorbestimmten Druckes das Rückschlagventil schließt und das Sperrventil, und damit der Zufluß der Hydraulikpumpe zum Verteilerkanal zur Auf­ bringung einer zusätzlichen Kraft im Saugraum ge­ öffnet wird.

Vorrichtungsmäßig wird die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2 im Steuerelement ein von der Hydraulik­ pumpe beaufschlagbarer Verteilerkanal mit zwei über einen Steuerkolben zu- und abschaltbaren Ausgangskanälen mit Ver­ bindungsleitungen zu dem Druckraum bzw. Saugraum des Hub­ zylinders vorgesehen ist, wobei zwischen dem Kanal und dem Verteilerkanal ein Rückschlagventil, im Verteilerkanal ein den Pumpenzufluß beeinflussendes Sperrventil, zwischen Ka­ nal und Druckraum ein Drucksensor sowie ein davon aktivier­ barer Schalter zur Betätigung eines Hydraulikventiles zur Betätigung des Sperrventiles vorgesehen ist.

Erkennbar ist es durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise möglich, über das Steuerelement das vom Druckraum des Hubzy­ linders kommende Öl zur Saugseite zu leiten, wobei die Druckkontrolle im Druckraum sowie die entsprechende Einstellung des Rückschlagventiles sowie die Schaltung des Steuerventiles eine Absenkung ohne Aufbringung einer äuße­ ren Kraft gewährleistet.

Besonders zweckmäßig ist dabei, daß beispielsweise bei vollständigem Absenken des Arbeitgsgerätes über den Hubzy­ linder sich der Druck im Druckraum des Hubzylinders verringert bzw. vollständig dem Systemdruck anpaßt, wobei das Rück­ schlagventil schließt und ggf. das Sperrventil geöffnet werden kann. Dies ist auch problemlos beim Absenken unter Druck möglich, hier wird über das Sperrventil die Beauf­ schlagung durch die Hydraulikpumpe ermöglicht, die in Absenkrichtung wirken kann. Wird der Steuerkolben im Steuerelement ge­ schaltet, kann dann die Hydraulikpumpe in Hubrichtung unter Beauf­ schlagung des Druckraumes wirken.

Wird beispielsweise durch die äußere Kraft ein Druck von mehr als 20 bar an den Druckschalter gemeldet, wird das Steuerventil so geschaltet, daß die Hydraulikflüssigkeit das Sperrventil im Pumpverteilerkanal schließt und damit den Zufluß von Hydrauliköl von der Hydraulikpumpe sperrt, so daß das Hydrauliköl aus dem Druckraum des Hubzylinders über das Rückschlagventil in den Saugraum strömt, wobei überschüssiges Öl ggf. in den Tank zurückgeleitet werden kann.

Sinkt der Druck beispielsweise durch Absetzen der äußeren Last im Druckraum ab, schließt das Rückschlagven­ til. Automatisch wird über den Drucksensor ein Steuersignal auf das Schaltventil gegeben, das schaltet und damit das Sperrventil drucklos macht, so daß dieses automatisch öff­ net und den Zufluß des Hydrauliköls über die Hydraulikpumpe auf die Saugseite des Hubzylinders ermöglicht, so daß ein Druck auf den Hubzylinder in Absenkrichtung möglich gemacht wird.

Soll gehoben werden, wird die Steuerseite des Kolbens ent­ lastet, so daß dieser federbeaufschlagte Kolben faltet, womit der Zufluß des Hydrauliköls zur Druckseite des Kol­ bens geöffnet wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist beispielsweise, daß an den Steu­ erkanten des Steuerkolbens, dem Zu- bzw. Abfluß sowohl der Hub- als auch der Saugseite des Hubzylinders freigebende Steu­ ernuten vorgesehen sind, wobei die Nuten auf der Hub- und der Saugseite dem Flächenverhältnis der Hub- und Saugseite des Hubzylinders entsprechen.

Eine zweckmäßige und kompakte Bauweise ergibt sich darüber hinaus, daß das Rückschlagventil eine integrale Einheit mit einem Sekundärdruck-Begrenzungsventil bildet.

Die Erfindung ermöglicht auch den Einsatz zweier Pumpen, wobei es dann zweckmäßig ist, im System wenigstens ein ge­ steuertes Sperr- und ein gesteuertes Rückschlagventil vor­ zusehen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in den

Fig. 1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Position "Senken" einiger Vorrich­ tungselemente in Fig. 1a und der Position "Heben" einiger Vorrichtungselemente in Fig. 1b,

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Beispiel mit zwei Pumpen sowie in

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung einer eingebau­ ten Sekundärabsicherung mit integriertem Rückschlagventil.

Die in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines mit 2 bezeichneten Hubzy­ linders ist zum Teil symbolisch und ansonsten in den Figu­ ren im Schnitt gezeichnet und besteht im wesentlichen aus einem Steuerelement 3 mit einem darin verschiebbaren Steu­ erkolben 4, über den unterschiedliche Kanäle, die weiter unten näher beschrieben werden, geöffnet, geschlossen bzw. miteinander verbunden werden können.

Im Steuerelement 3 ist im Beispiel der Fig. 1 ein sich querschnittlich etwa U-förmig darstellender Verteilerkanal 5 vorgesehen, der etwa symmetrisch von einem Pumpkanal 6 beaufschlagt ist, an dem eine Hydraulikpumpe 7 ange­ schlossen ist. Zur Absperrung des Zuflusses über den Pump­ kanal 6 zum Verteilerkanal 5 ist etwa zentrisch ein Sperr­ ventil 8 vorgesehen, das über ein Schaltventil 9 mittels einer Pumpenzuflußleitung 10 mit der Hydraulikpumpe 7 verbindbar ist.

Der Zylinder 2 weist einen mit 11 bezeichneten Saugraum und mit 12 bezeichneten Druckraum, definiert durch eine von au­ ßen anliegende Last (Pfeil P), auf, die über Leitungen mit einem nach der vorgenannten Druckdefinition in gleicher Weise definierten Druckkanal 13 und einem Saugkanal 14 im Steuerelement 3 verbunden sind, wobei der Druckkanal 13 und der Saugkanal 14 parallel zu den beiden Teilarmen des Verteilerkanales 5 angeordnet und alle diese Kanäle über den Steuerkolben 4 zu- bzw. wegfaltbar sind.

Über ein mit 15 bezeichnetes und in Fig. 4 vergrößert wie­ dergegebenes Rückschlagventil innerhalb einer Sekundärabsi­ cherung 16 kann bei ausreichend hohem Druck im Kanal 13 Hydraulikfluid von dort in den Verteilerkanal 5 fließen, was weiter unten näher beschrieben ist.

Neben den beschriebenen Elementen weist die Vorrichtung 1, d. h. das Steuerelement 3, in der Achse des Steuerkolbens 4 an einem Ende einen Steueranschluß 17 auf, über den bei Druckaufbringung der Steuerkolben 4 gegen eine Feder 18 verschoben werden kann, die innerhalb einer Federkappe 19 untergebracht ist.

Der Druck im Druckraum 12, bzw. in der davon zum Kanal 13 führenden Leitung, ist über einen Drucksensor 20 meßbar. Über eine Leitung 21 aus der Federkappe 19 ist ein Schalter 22 aktivierbar, der wiederum in Verbindung mit dem Druck­ sensor 20 das Ventil 9 schaltet. Neben dem doppelt wirken­ den Verteilerkanal 5 und dem Kanal 13 sowie dem Kanal 14 sind im Steuerelement 3 zwei weitere parallele Tankkanäle 23 bzw. 24 vorgesehen, die zum einen von je ei­ ner Sekundärabsicherung 16 beaufschlagt sind und zum anderen die Zuleitungen zu den mit 25 bezeichneten Tank bilden, um einen Überlauf je nach Schaltvorgang zu gewährleisten.

Um einen entsprechenden Durchfluß zu ermöglichen, weist der Steuerkolben 4 an den entsprechenden Stellen Steuernuten 26 bzw. 27 auf.

Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 sei nachfolgend anhand der Beispiele der Fig. 1a und 1b näher erläutert:
Wird über den Steueranschluß 17 der Kolben des Steuerschie­ bers auf "Senken" (Fig. 1) geschaltet, so bewegt sich der Kolben 4 in Richtung der Federkappe 19. Die äußere Last P erzeugt in dem Hubzylinder 2 in dem Druckraum 12 einen Druck und die Druckflüssigkeit des Druckraumes 12 fließt über den Kanal 13, das Rückschlagventil 15, welches in diesem Bei­ spiel in der Patrone der Sekundärabsicherung 16 eingebaut ist (Fig. 4), in den Verteilerkanal 5. Über die Steuernuten 27 gelangt die Druckflüssigkeit in den Kanal 14, der zu dem Saugraum 11 des Hubzylinders 2 führt. Der Druck im Druckraum 12 schaltet ferner den Drucksensor 20, der das Ventil 9 betätigt und damit den Druck der Hydraulikpumpe 7 auf das Sperrven­ til 8 leitet, das somit schließt.

Gleichzeitig wird durch die Verschiebung des Steuerkolbens 4 über die Steuernut 26 eine Verbindung zu dem Tankkanal 23 hergestellt. Da die Drücke in den Kanälen 5 und 13 bei ge­ öffnetem Rückschlagventil 15 gleich sind und somit auch an den Steuernuten 26 und 27, kann die Ausbildung der Steuer­ nuten 26 und 27 so gestaltet werden, daß dem Saugraum 11 des Hubzylinders 2 unter allen Steuerkolbenstellungen und Druckverhältnissen die erforderliche Menge an Hydrauliköl zur Verfügung gestellt wird, während die Restmenge dem Tank 25 zugeführt wird. Das Mengenverhältnis des zum Tank 25 und zum Saugraum 11 des Hubzylinders 2 abfließenden Hydrauliköls bleibt dabei konstant. Der Fluß des Hydrauliköls vom Druck­ raum 12 zum Saugraum 11 ist punktiert angedeutet.

Gleichzeitig mit dem Einschalten des Senkvorganges kann die Hydraulikpumpe 7 auf Null-Förderung gesteuert werden oder durch ge­ eignete Schaltmittel auf andere Verbraucher geleitet wer­ den. Dadurch ist der Verteilerkanal 5 drucklos und das Sperrventil 8 schließt auch in diesem Fall selbsttätig.

Wird die Last P auf dem Boden abgesetzt, so wird der Druck im Druckraum 12 im Bereich von Null liegen. Der Drucksensor 20 ermittelt diesen Zustand und entlastet das Sperrventil 8 vom Pumpendruck und stellt damit für den Senkvorgang den Normalbetrieb her. Um für den Hubvorgang das Sperrventil 8 offen zu halten, unterbricht der Schalter 22 das Signal vom Drucksensor 20 zum Ventil 9, das Sperrventil 8 ist druck­ entlastet und kann öffnen.

Der Schalter 22 wird von dem Steuersignal für das "Heben" (Fig. 1b) geschaltet, das hier als Beispiel über die Lei­ tung 21 aus der Federkappe 19 entnommen wird. Der Fluß des Hydrauliköls beim Heben ist in Fig. 1b ebenfalls punktiert angedeutet. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung ist eine Regenerativschaltung beim Senken unter Last gegeben, wäh­ rend die Funktionen "Senken" und "Heben" mit der Pumpe als Normalbetrieb sich automatisch einstellen.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 2 wird der Druck des Druckraumes 12 über das Ventil 9 über eine Leitung auf einen Pumpenregler 28 geschaltet und damit die Hydraulikpumpe 7 auf Null-Förderung gestellt. In dieser Ausfüh­ rung kann anstelle eines gesteuerten Sperrventils ein Rück­ schlagventil 29 vorgesehen werden. Diese Ausführung mit Rückschlagventil 29 kann bei allen Systemen verwendet wer­ den, bei denen bei Einschaltung des Senkvorganges für den Zylinder 2 der Pumpenzufluß zum Verteilerkanal 5 unterbrochen ist.

Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 3 dar­ gestellt. Dabei werden zwei Pumpen 7a und 7b in den Steuer­ schieber eingeleitet, wobei die Pumpe 7a nur für das Senken bei ausgeschalteter Regenerativschaltung und Pumpe 7a und 7b für das Heben vorgesehen sind. Dabei wird der Pumpen­ druck der Pumpen 7a über das Ventil 9 auf das Ventil 8a ge­ schaltet. In diesem Beispiel ist die Pumpe 7a beim Senken durch andere Verbraucher abgeschaltet oder drucklos ge­ schaltet, so daß für diesen Kreis das Rückschlagventil vor­ gesehen ist.

In Fig. 4 ist eine vorteilhafte Anordnung des Rückschlag­ ventils 15 dargestellt. Ventilblöcke für Arbeitsmaschinen verfügen über Sekundärsabsicherungen 16. Eine vorteilhafte und wirtschaftlich günstigere Ausführung ist, wenn das Rückschlagventil 15 in dem Gehäuse der Sekundärabsicherun­ gen 16 so angeordnet ist, daß das Rückschlagventil 15 den Kanal 13 mit dem Verteilerkanal 5 verbindet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung eines Hubzylinders (2) von Arbeits­ maschinen, wie Baggern, Radladern od. dgl., wobei der Hub­ zylinder (2) in Senkrichtung von einer externen Kraft (äu­ ßeren Last P) beaufschlagbar ist, wobei der Druckraum (12) und der Saugraum (11) des Hubzylinders (2) mit Druckflüs­ sigkeit über eine diese beiden Zylinderräume (11, 12) mit­ einander verbindende Leitung mit einem darin vorgesehenen Steuerelement (3) beaufschlagt sind, wobei das Steuerele­ ment (3) die Zu- bzw. Abflüsse der Zylinderräume (12, 11) und den Überlauf in einen Tank (25) für das Arbeitsmedium über eine Hydraulikpumpe (7) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß von der Hydraulikpumpe (7) im Steuerelement (3) ein Verteilerkanal (5) beaufschlagt wird, wobei über einen Steuerkolben (4) der Druckraum (12) oder der Saugraum (11) zugeschaltet wird,
daß bei einem vorbestimmten, durch die externe Kraft/Last (P) bewirkte Druck im Druckraum (12) dieser über ein Rück­ schlagventil (15) mit diesem Verteilerkanal (5) verbunden und über ein von einem Drucksensor (20) beeinflußbares Sperrventil (8) der Zufluß der Hydraulikpumpe (7) zum Verteilerkanal (5) gesperrt wird, wobei dem Verteilerkanal (5) der Saugraum (11) zugeschaltet ist, und
daß bei Erreichen eines anderen vorbestimmten Druckes das Rückschlagventil (15) schließt und das Sperrventil (8) und damit der Zufluß der Hydraulikpumpe (7) zum Verteilerkanal (5) zur Aufbringung einer zusätzlichen Kraft im Saugraum (11) geöffnet wird.

2. Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Hubzylinders (2) von Arbeitsmaschinen, wie Baggern, Radladern od. dgl., wobei der Hubzylinder (2) in Senkrichtung von einer externen Kraft (äußeren Last P) beaufschlagbar ist, wobei der Druck­ raum (12) und der Saugraum (11) des Hubzylinders (2) mit Druckflüssigkeit über eine diese beiden Zylinderräume (11, 12) miteinander verbindende Leitung mit einem darin vorge­ sehenen Steuerelement (3) beaufschlagt sind, wobei das Steuerelement (3) die Zu- bzw. Abflüsse der Zylinderräume (12, 11) und den Überlauf in einen Tank (25) für das Ar­ beitsmedium über eine Hydraulikpumpe (7) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerelement (3) ein von der Hydraulikpumpe (7) be­ aufschlagbarer Verteilerkanal (5) mit zwei über einen Steu­ erkolben (4) zu- und abschaltbaren Ausgangskanälen (13, 14) mit Verbindungsleitungen zu dem Druckraum (12) bzw. Saug­ raum (11) des Hubzylinders (2) vorgesehen ist, wobei zwi­ schen dem Kanal (13) und dem Verteilerkanal (5) ein Rück­ schlagventil (15), im Verteilerkanal (5) ein den Pumpenzu­ fluß beeinflussendes Sperrventil (8), zwischen Kanal (13) und Druckraum (12) ein Drucksensor (20) sowie ein davon ak­ tivierbarer Schalter (22) zur Betätigung eines Hydraulik­ ventiles (9) zur Betätigung des Sperrventiles (8) vorgese­ hen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steuerkanten des Steuerkolbens (4), dem Zu- bzw. Abfluß sowohl der Hub- als auch der Saugseite des Hubzylinders (2) freigebende Steuernuten (26, 27) vorgesehen sind, wobei die Nuten auf der Hub- und der Saugseite dem Flächenver­ hältnis der Hub- und Saugseite des Hubzylinders (2) entspre­ chen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (15) eine integrale Einheit mit einem Sekundärdruck-Begrenzungsventil (16) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pumpen (7a, 7b) vorgesehen sind mit einem Rück­ schlagventil (15), einem weiteren Rückschlagventil (29) so­ wie einem druckbeaufschlagten Sperrventil (8a) im Steuer­ element (3a).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpenregler (28) zur Regelung der Hydraulikpumpe (7) in Abhängigkeit des Druckes im Druckraum (12) des Zylinders (2) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Steuernuten vorgesehen sind zur Verbindung des Kanales (13) bzw. Kanales (14) mit zugeordneten Tankka­ nälen (23 bzw. 24) zur Hydrauliköl-Überschubableitung in den Tank (25).