DE4240076A1 - Hydraulische Steuereinrichtung für einen Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Steuereinrichtung nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Gattung.

Es ist schon eine solche hydraulische Steuereinrichtung für einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder in einer Lenkeinrichtung aus der DE-GM 90 05 983 bekannt, bei der die beiden Arbeitsräume des Ar­ beitszylinders von einem proportional arbeitenden 4/3-Wegeventil an­ steuerbar sind, wobei beide Arbeitsräume durch hydraulisch entsperr­ bare Sperrventile abgesperrt sind und eine hydraulisch entlüftbare Bremseinrichtung dessen Kolbenstange arretiert. Ferner ist in eine zum Proportionalventil führende Zulaufleitung ein zusätzliches Wege­ ventil geschaltet, mit dem ein Stellzylinder der Bremseinrichtung steuerbar ist. Mit solchen Steuereinrichtungen soll eine funktions­ sichere Arbeitsweise des Arbeitszylinders sowie eine sichere Arre­ tierung der Kolbenstange erreicht werden. Um hier hohe Sicherheits­ anforderungen zu erfüllen, sind in dem hydraulischen Kreis zwei re­ dundante Abschaltpfade vorgesehen, wobei als erstes Abschaltmittel das dem Proportionalventil vorgeschaltete Wegeventil verwendet wird, während als zweites Abschaltmittel die zwischen Proportionalventil und Arbeitszylinder geschalteten, hydraulisch entsperrbaren Sperr­ ventile dienen. Das Proportionalventil selbst muß in solchen Lenkkreisen für Regelzwecke eine schnelle Arbeitsweise aufweisen und hat deswegen einen Steuerschieber, der mit Nullüberdeckung bzw. so­ gar negativer Überdeckung ausgerüstet ist; das Proportionalventil kann deshalb keine sichernde Abschaltfunktion übernehmen. Gerade bei mobilen Anwendungsfällen kann es nun von Nachteil sein, daß der Bau­ aufwand durch die Sperrventile relativ groß ist und die Steuerein­ richtung zu teuer und groß baut. Ferner kann bei dieser Bauweise mit den Sperrventilen durch deren leckfreie Sitzventilbauart bei un­ günstigen Betriebsbedingungen der Fall eintreten, daß das einge­ schlossene Druckmittelvolumen sich bei Wärme zu stark ausdehnt und dabei unerwünschte Druckerhöhungen auftreten können, welche die Funktion störend beeinflussen. Es müssen deshalb zusätzliche Mittel zum Abbau solcher temperaturabhängigen Druckerhöhungen vorgesehen werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße hydraulische Steuereinrichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor­ teil, daß sie die gleichen Sicherheitsfunktionen mit verringertem Aufwand erfüllt. Das Proportionalventil kann nun selbst für einen Sicherheits-Abschaltpfad verwendet werden, so daß zwei hydraulisch angesteuerte, im Arbeitskreis liegende Sperrventile eingespart wer­ den. Der Mehraufwand im Proportionalventil durch die positive Über­ deckung ist dabei verhältnismäßig gering. Die Steuereinrichtung läßt sich dadurch einfacher, kompakter und billiger bauen. Mit einem der­ art ausgerüsteten Proportionalventil läßt sich nicht nur die Ge­ schwindigkeit der Kolbenstange des Arbeitszylinders in Sicherheits­ stellung auf unkritische Werte begrenzen, sondern es kann darüber­ hinaus durch die verbleibende, sehr geringe Leckage im Proportional­ ventil erreicht werden, daß die bei ungünstiger Wärmeeinwirkung auf­ tretende Volumenausdehnung so weit abgebaut wird, daß keine Funk­ tionsstörungen auftreten können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Steuereinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung nach Anspruch 2, wenn die positive Überdeckung bei einem 4/3-Proportionalventil in dessen Mittelstellung ausgeführt wird und mit Hilfe eines elektronischen Reglers mit gespeicherter Ventilkennlinie erreicht wird, daß insgesamt ein proportionales Re­ gelverhalten erzielt wird. Dies begünstigt eine kostengünstige und kompakte Losung. Ferner ist es vorteilhaft, die Steuereinrichtung gemäß Anspruch 3 auszubilden, da hierbei ein handelsübliches Propor­ tionalventil mit relativ einfachem, zugehörigen elektronischen Reg­ ler verwendet werden kann. Dabei begünstigt der Nullschnitt des Steuerschiebers ein gutes Regelverhalten, während der einfach wir­ kende Magnetantrieb eine relativ kostengünstige Bauweise erlaubt. Eine verhältnismäßig große positive Überdeckung läßt sich leicht in der äußeren, vierten Sicherheitsstellung unterbringen. Zweckmäßig ist ferner eine Ausbildung nach Anspruch 4, wodurch sich günstige Eigenschaften in Betrieb erzielen lassen. Die positive Überdeckung ist dabei so groß gewählt, daß alle im Betrieb auftretenden Toleran­ zen und Faktoren ausreichend berücksichtigt werden; insbesondere können hierbei durch Wärme auftretende Toleranzänderungen, durch Fehleinstellungen in der Steuerschieber-Zentrierung oder durch Setz­ erscheinungen von Federn auftretende Einflußfaktoren berücksichtigt werden. Günstig ist es ferner, wenn gemäß Anspruch 5 das elektro­ nische Steuergerät bzw. der Regler für das Proportionalventil in Digitaltechnik ausgeführt wird, womit sich eine Linearisierung einer Kennlinie leicht durchführen läßt. Weitere vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der hydraulischen Steuer­ einrichtung in vereinfachter Darstellung und die Fig. 2 und 3 je­ weils einen Teil einer zweiten bzw. dritten Ausführungsform der Steuereinrichtung ebenfalls in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine hydraulische Steuereinrichtung 10, deren doppelt wirkender Arbeitszylinder 11 von einem Proportionalventil 12 ansteuerbar ist, das als 4-Wege-3-Stel­ lungsventil ausgebildet ist.

Im Arbeitszylinder 11 trennt ein Kolben 13 einen ersten Arbeitsraum 14 von einem zweiten Arbeitsraum 15, die jeweils über eine erste bzw. zweite Arbeitsleitung 16 bzw. 17 an das Proportionalventil 12 angeschlossen sind. In die Arbeitsleitungen 16, 17 sind dabei kei­ nerlei zusätzliche Ventile mit Sicherheitsfunktionen geschaltet. Der Hub des Kolbens 13 und damit seiner zugeordneten Kolbenstange 18 wird mit Hilfe eines Wegaufnehmers 19 erfaßt, der seine elektrischen Signale über eine erste elektrische Leitung 21 an ein elektronisches Steuergerät 22 meldet.

Dem Arbeitszylinder 11, der vorzugsweise bei hydraulischen Hinter­ achslenkungen in Kraftfahrzeugen Verwendung findet, ist eine Brems­ einrichtung 23 zugeordnet, deren Bremskörper 24 von der Kraft einer Feder 25 an die Kolbenstange 18 gedrückt wird und diese in der je­ weiligen Lage arretiert. Die Bremseinrichtung 23 ist durch einen hy­ draulisch betätigbaren Stellzylinder 26 lüftbar, wozu der Stellzy­ linder 26 mit einer ersten Steuerleitung 27 in Verbindung steht. Vom Stellzylinder 26 führt eine Leckölleitung 28 zu einem Tank 29.

Das Proportionalventil 12 weist einen Regelschieber 31 auf, der von einer doppeltwirkenden Rückholeinrichtung 33 in einer Mittelstellung 32 zentriert wird, in welcher er sämtliche vier Arbeitsanschlüsse hydraulisch blockiert. Der Regelschieber 31 wird von einem Doppel­ hub-Proportionalmagnet 34 betätigt, wozu er über zwei elektrische Leitungen 35 mit dem elektronischen Steuergerät 22 in Verbindung steht. Der Regelschieber 31 ist vom Proportionalmagnet 34 aus der Mittelstellung 32 heraus nach beiden Seiten in eine erste Arbeits­ stellung 36 bzw. eine zweite Arbeitsstellung 37 auslenkbar. Ein ab­ laufseitiger Arbeitsanschluß des Proportionalventils 12 steht über eine Rücklaufleitung 38 mit dem Tank 29 in Verbindung, während von seinem zulaufseitigen Arbeitsanschluß eine Zulaufleitung 39 zu einer Druckmittelquelle 41 führt, die hier als Speicher ausgebildet ist und von einer nicht näher gezeichneten Pumpe aufgeladen wird.

Beim Proportionalventil 12 ist der Regelschieber 31 so ausgebildet, daß er in der Mittelstellung 32 eine positive Überdeckung aufweist. Anstelle der bei solchen Regelventilen sonst üblichen negativen Überdeckung bzw. eines Nullschnitts ist hier die positive Über­ deckung relativ groß ausgebildet und hat beispielsweise eine Größe von 0,6 mm. Diese Überdeckung muß einerseits so groß gewählt werden, daß sämtliche im Betrieb auftretenden Störfaktoren berücksichtigt werden und das Proportionalventil 12 in der federzentrierten Mittel­ stellung 32 den Arbeitszylinder 11 ausreichend absperrt, so daß eine Begrenzung von dessen Stellgeschwindigkeit auf unkritische Werte in der Sicherheitsstellung 32 erreicht wird. Das Proportionalventil 12 kann somit als ein Abschaltmittel verwendet werden, um auf diese Weise in der Steuereinrichtung 10 ein redundantes Abschaltsystem aufzubauen. Andererseits wird durch die positive Überdeckung die eigentliche Ventilkennlinie des Proportionalventils 12 in einer für die Regelung ungünstigen Weise verändert. Um diesen Einfluß zu kom­ pensieren, wird der Doppelhub-Proportionalmagnet 34 über ein dem Steuergerät 22 zugeordneten elektronischen Regler 42 angesteuert, in dem die Ventilkennlinie des Proportionalventils 12 abgelegt ist und die bei der Ansteuerung des Proportionalventils 12 in an sich be­ kannter Weise so verarbeitet wird, daß das proportionale Regelver­ halten insgesamt linearisiert wird. Günstig läßt sich dies er­ reichen, wenn der Regler 42 und insbesondere das Steuergerät 22 in Digitaltechnik ausgebildet werden. In die Zulaufleitung 39 ist stromaufwärts vom Proportionalventil 12 ein Wegeventil 43 geschal­ tet, das als 3/2-Ventil ausgebildet ist. Ein Steuerschieber 44 dieses Wegeventils 43 wird von einer Feder 45 in einer Grundstellung 46 zentriert, in welcher er einen zum Speicher 41 führenden Ab­ schnitt 47 der Zulaufleitung 39 hydraulisch absperrt und einen stromabwärts liegenden Abschnitt 48 der Zulaufleitung 42 über einen Rücklaufkanal 49 zum Tank 29 entlastet. Der Steuerschieber 44 ist von einem Schaltmagnet 51 in eine Schaltstellung 51 auslenkbar, in welcher er die Zulaufleitung 39 aufsteuert und den Rücklaufkanal 49 blockiert. Der Schaltmagnet 51 steht zu diesem Zweck über eine dritte elektrische Leitung 53 mit dem elektronischen Steuergerät 22 in Wirkverbindung. Das Wegeventil 43 bildet auf diese Weise erste Abschaltmittel in der Steuereinrichtung 10.

Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung 10 wird wie folgt erläutert, wobei die grundsätzliche Funktion des 4/3-Proportionalventils 12 als an sich bekannt vorausgesetzt wird.

Bei dem im Fig. 1 dargestellten Zustand der Steuereinrichtung 10 sind die magnetischen Antriebe 34 und 51 von Proportionalventil 12 und Wegeventil 43 nicht erregt, so daß der Regelschieber 31 seine federzentrierte Mittelstellung 32 einnimmt und der Steuerschieber 44 seine federzentrierte Grundstellung 46 aufweist. In der Bremsein­ richtung 23 wird über die Steuerleitung 27 und das Wegeventil 43 der Stellzylinder 26 zum Tank 29 entlastet, so daß die aktivierte Brems­ einrichtung 23 die Kolbenstange 18 in der jeweiligen Lage hält. Zu­ dem wird die Druckmittelquelle 41 vom Wegeventil 43 hydraulisch blockiert. Es sind in der Steuereinrichtung 10 somit zwei redundante Abschaltmittel wirksam, die ein ungewolltes Betätigen des Arbeitszy­ linders 11 durch Druckmittel verhindern. Neben dem Wegeventil 43 kann dabei das Proportionalventil 12 selbst diese Sicherheitsfunk­ tion des zweiten Abschaltmittels übernehmen, da es mit einer aus­ reichend großen positiven Überdeckung ausgerüstet ist, die eine Be­ grenzung der Stellgeschwindigkeit des Arbeitszylinders 11 auf un­ kritische Werte in der Mittelstellung 32 ermöglicht. Diese positive Überdeckung ist dabei so groß gewählt, daß störende Faktoren wie durch Wärme auftretende Toleranzänderungen oder durch ungenaue oder Fehleinstellungen am Proportionalventil 12 sowie durch Setzungser­ scheinungen durch Federn usw. auftretende Einflüsse in ausreichen­ dem Maße ausgeschaltet werden. Darüberhinaus hat die unmittelbare hydraulische Absicherung des Arbeitszylinders 11 durch das Propor­ tionalventil 12 den Vorteil, daß die bei ungünstigen Betriebsbe­ dingungen durch hohe Temperaturen auftretenden Volumenänderungen in den eingeschlossenen Druckmittelmengen im Arbeitszylinder 11 nicht zu unerwünschten Druckspitzen führen, sondern über die positive Überdeckung gezielt abgebaut werden.

Wird im Betrieb vom elektronischen Steuergerät 22 lediglich das We­ geventil 43 in seine Schaltstellung 52 gesteuert, so wird zwar die Bremseinrichtung 23 hydraulisch gelüftet, jedoch bleibt der Arbeits­ zylinder 11 durch das Proportionalventil 12 mit seiner positiven Überdeckung in Mittelstellung 32 hydraulisch blockiert und kann nicht betätigt werden. Erst wenn zusätzlich zum ersten Wegeventil 43 das elektronische Steuergerät 22 über den Regler 42 das Proportio­ nalventil 12 in seine Arbeitsstellung 36, 37 auslenkt, läßt sich der Kolben 13 im Arbeitszylinder 11 nach Richtung und Geschwindigkeit proportional zu den elektrischen Eingangssignalen steuern. Dabei sorgt der Regler 42 mit der abgelegten Ventilkennlinie des Propor­ tionalventils 12 dafür, daß insgesamt ein lineares proportionales Regelverhalten erreicht wird und die positive Überdeckung im Propor­ tionalventil 12 nicht störend in Erscheinung tritt.

Bei der Steuereinrichtung 10 lassen sich somit hohe Sicherheitsan­ forderungen erfüllen, wobei der Aufwand wesentlich verringert wird. Durch die Verwendung des Proportionalventils 12 als zweites Ab­ schaltmittel im redundant arbeitenden Abschaltsystem, können zusätz­ liche hydraulisch entsperrbare Sperrventile zwischen Proportional­ ventil 12 und Arbeitszylinder 11 eingespart werden. Diese ein­ fachere, kompaktere und kostengünstigere Bauweise ist gerade bei mo­ bilen Einsatzfällen besonders vorteilhaft.

Die Fig. 2 zeigt einen Teil einer zweiten Steuereinrichtung 60, die sich von der ersten Steuereinrichtung 10 nach Fig. 1 wie folgt unterscheidet, wobei für gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

Die zweite Steuereinrichtung 60 verwendet anstelle des 4/3-Propor­ tionalventils 12 nach Fig. 1 ein 4/4-Proportionalventil 61, das von einem Einfachhubmagnet 62 angetrieben wird und dessen Regelschieber 63 von einer Feder 64 in eine vierte Schaltstellung, eine Sicher­ heitsstellung 65, auslenkbar ist. In dieser Sicherheitsstellung 65 weist nun der Regelschieber 63 seine notwendige positive Überdeckung auf, während der Regelschieber 63 in seiner Mittelstellung 66 einen Nullschnitt oder eine negative Überdeckung haben kann, so daß ein günstiges Regelverhalten erzielbar ist. Ein derartiges Proportional­ ventil 61 ist an sich bekannt und läßt sich über das elektronische Steuergerät 22 ansteuern.

Auch bei der zweiten Steuereinrichtung 60 kann das Proportionalven­ til 61 die Funktion der zweiten Abschaltmittel übernehmen, da beim Ausfall der Elektronik der Regelschieber 63 von der Feder 64 in seine Sicherheitsstellung 65 verstellt wird, wobei nun die positive Überdeckung des Regelschiebers 63 für eine sichere hydraulische Ab­ sperrung des Arbeitszylinders 12 sorgt. Das Proportionalventil 61 baut durch den einfachwirkenden Magnetantrieb 62 einfacher, auch die Linearisierung der Funktion des Reglers 42 kann entfallen; jedoch wird beim Abschalten eine erste Arbeitsstellung 36 stets durchfahren.

Die Fig. 3 zeigt einen Teil einer dritten Steuereinrichtung 70, die sich von der ersten Steuereinrichtung 10 nach Fig. 1 wie folgt un­ terscheidet, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen werden.

Die dritte Steuereinrichtung 70 weist ein anderes Wegeventil 71 auf, das als 4-Wege-3-Stellungsventil ausgebildet ist. Bei diesem Wege­ ventil 71 sind der Abschnitt 48 der Zulaufleitung 39 sowie die erste Steuerleitung 27 getrennt voneinander an Arbeitsanschlüsse des Wege­ ventils 71 herangeführt. Das Wegeventil 71 weist neben der feder­ zentrierten Grundstellung 46 und der Schaltstellung 52 eine Test­ stellung 72 auf, in die es von einem einfachwirkenden Schaltmagnet 73 gegen die Kraft einer zweiten Feder 74 verstellbar ist. In dieser Teststellung 72 kann über das Proportionalventil der Arbeitszylinder 11 angesteuert werden, wobei die Wirksamkeit der Bremseinrichtung 23 überprüfbar ist. Das Wegeventil 71 übernimmt in der dritten Steuer­ einrichtung 70 die Funktion der ersten Abschaltmittel.

Selbstverständlich sind an den gezeigten Ausführungsformen Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (8)

1. Hydraulische Steuereinrichtung für einen doppeltwirkenden Ar­ beitszylinder, insbesondere in einer Lenkeinrichtung, dessen beide Arbeitsräume von einem Proportionalventil ansteuerbar sind, das über eine Zulaufleitung mit Druckmittel von einer Druckmittelquelle ver­ sorgbar ist und mit einer Bremseinrichtung für den Arbeitszylinder, die durch eine Feder aktiviert und durch einen Stellzylinder lüftbar ist, mit einem in die Zulaufleitung geschalteten Wegeventil, mit dem der Stellzylinder mit der Druckmittelquelle oder dem Tank verbindbar ist, wozu das Wegeventil eine federzentrierte Grundstellung auf­ weist, in der es die Zulaufleitung blockiert und den Stellzylinder zum Tank entlastet, während es in einer Arbeitsstellung die Druck­ mittelquelle sowohl mit dem Proportionalventil und dem Stellzylinder verbindet und mit einem elektronischen Steuergerät, das mit den Magnetantrieben von Proportionalventil und Wegeventil in Wirkverbin­ dung steht und mit zwei voneinander unabhängigen, der Sicherung des Arbeitszylinders dienenden, im hydraulischen Kreis liegenden Ab­ schaltmitteln, von denen eines durch das Wegeventil gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalventil (12, 61) ohne Zwischenschaltung von Ventilen unmittelbar mit den Arbeitsräumen (14, 15) des Arbeitszylinders (11) verbunden ist und daß das Propor­ tionalventil als zweites Abschaltmittel (12, 61) ausgebildet ist, wozu dessen Regelschieber (31, 63) eine Schaltstellung (32, 65) mit positiver Überdeckung aufweist.

2. Hydraulische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Proportionalventil (12) ein 4-Wege-3-Stellungs­ ventil ist, bei dem die positive Überdeckung in einer federzentrier­ ten Mittelstellung (32) ausgebildet ist und daß das elektronische Steuergerät (22) einen das Proportionalventil ansteuernden Regler (42) aufweist, der mit Hilfe einer abgespeicherten Kennlinie des Proportionalventils (12) das Proportionalverhalten der zweiten Ab­ schaltmittel (12) linearisiert.

3. Hydraulische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Proportionalventil (61) ein 4-Wege-4-Stellungs­ ventil ist, bei dem die positive Überdeckung in einer federzentrier­ ten, außenliegenden Sicherheitsstellung (65) ausgebildet ist, wäh­ rend eine zwischen den Arbeitsstellungen (36, 37) liegende Mittel­ stellung (66) mit Nullschnitt oder negativer Überdeckung ausgebildet ist und dessem Regelschieber (63) als Antrieb ein einfachwirkender Proportionalmagnet (62) zugeordnet ist.

4. Hydraulische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Überdeckung innerhalb eines Bereichs von 0,05-1,0 mm liegt, insbesondere 0,6 mm beträgt.

5. Hydraulische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuergerät (22) und/oder der Regler (42) in Digitaltechnik ausgeführt ist.

6. Hydraulische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (43) als 3/2-Ventil aus­ gebildet ist.

7. Hydraulische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil als 4/3-Ventil (71) aus­ gebildet ist, an dessen vier Anschlüssen die beiden Abschnitte (47, 48) der Zulaufleitung (39), die Rücklaufleitung (49) sowie die Steuerleitung (27) zum Stellzylinder (26) angeschlossen sind, und daß das Wegeventil (71) als dritte Schaltstellung eine Teststellung (72) aufweist, in der das Proportionalventil (12) mit der Druck­ mittelquelle (41) verbunden und der Stellzylinder (26) entlastet ist.

8. Hydraulische Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Verwendung des Arbeitszylinders (11) als hy­ draulischer Steller in einer hydraulischen Hinterachslenkung.