Passive Hydrauliksteuerung mit Positionskorrektur durch richtungsgesteuerten Ölaustausch

Die Erfindung betrifft eine passive Hydrauliksteuerung, bei der zwei oder mehrere Hydraulikzylinder untereinander hydraulisch verbunden sind, so dass eine Verschiebung des Kolbens in einem der Zylinder eine Verschiebung des Kolbens in mindestens einem der anderen Zylinder zur Folge hat (Folgesteuerung) .

In Figur 1 ist das Grundprinzip einer solchen passiven hydraulischen Folgesteuerung dargestellt. Die Hydraulikzylinder 1 sind mittels der Hydraulikleitungen 2 untereinander verbunden. Wird beispielsweise der Kolben des oberen Zylinders 1 in Figur 1 um einen Weg S ₁ verschoben, so müssen wegen der Volumenkonstanz von V ₁ und V ₂ an den anderen Zylindern 1 Kolbenwege S ₂ ...S _n entstehen, die in ihrer Summe dem Weg S ₁ entsprechen, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen.

Als Gleichung kann für diesen Sachverhalt geschrieben werden:

_Sl =-{s ₂ +...+ s _n ). (1)

Dieser mit Gleichung 1 beschriebene Sachverhalt gilt, wenn alle Hydraulikzylinder 1 über gleich große Kolbenflächen verfügen. Werden Hydraulikzylinder 1 mit unterschiedlich großen Kolbenflächen verwendet, lassen sich differenzierte Wege an den einzelnen Hydraulikzylindern 1 realisieren. Es kann dann die Wegverknüpfung durch Gleichung 2 dargestellt werden: 0 = k ₁ s ₁ + k ₂ s ₂ +... + k _n s _n . ( 2 )

In dieser Gleichung stellen k ₁ ...k _n Proportionalitätsfaktoren dar, die ihrerseits umgekehrt proportional zu den Kolbenflächen A ₁ ...A _n der Hydraulikzylinder sind:

Auch können einzelne der Proportionalitätsfaktoren k ₁ ...k _n negative Werte annehmen, wenn beispielsweise die Hydraulikleitungen 2 gekreuzt werden (entsprechend dem Beispiel nach Figur 11) .

Die beschriebenen passiven Hydrauliksteuerungen werden häufig vorteilhaft anstelle von Steuergestängen verwendet, wenn relativ hohe Stellkräfte über große Entfernungen übertragen werden müssen und gegebenenfalls aufwendige Kraftumlenkungen und/oder -Übersetzungen mittels Hebeln erforderlich wären. Auch die Kraftübertragung über die Grenzen von sich zueinander bewegenden Maschinen- bzw. Gerätesektionen hinweg, z. B. über Fahrzeug-gelenke, lässt sich hydraulisch in der Regel vorteilhafter lösen als mit einer Mechanik. Typische Anwendungen einer passiven Hydrauliksteuerung mit den oben genannten Eigenschaften sind beispielsweise:

^■ Die Gelenksteuerung für das Wagengelenk eines zweiteiligen Schienengliederwagens entsprechend der Druckschrift

DE 21 23 876 Al,

^■ Die Achssteuerungen für Schienenfahrzeuge, wie sie in den Druckschriften DE 31 23 858 Al, DE 33 31 559 Al oder

DE 43 43 608 Al beschrieben sind,

^■ Die in der Druckschrift EP 0 755 839 A2 beschriebene hydraulische Drehwinkelkoppelung von Fahrwerken mehrgliedriger Schienenfahrzeuge oder ^■ Die Fahrwerk- und Gelenksteuerungen, wie sie in den Druckschriften DE 299 13 547 Ul, EP 1 074 448 Al, EP 1 074 449 Al oder DE 100 12 966 Al beschrieben werden.

Nach dem beschriebenen Prinzip arbeitende passive Hydrauliksteuerungen bedürfen neben der Hydraulikzylinder 1 und der Verbindungsleitungen 2 für eine sichere Funktion weiterer Bauelemente. Diese werden in ihrer grundsätzlichen Anordnung in Figur 2 für eine Anlage mit zwei Hydraulikzylindern 1 beispielhaft gezeigt. Um durch Undichtigkeiten im System verursachte Verluste von Hydraulikflüssigkeit ausgleichen zu können, wird ein Hydrospeicher 5 vorgesehen. Dieser kann über die

Rückschlagventile 6 in den Volumina V ₁ bzw. V ₂ gegebenenfalls fehlende Hydraulikflüssigkeit ergänzen. Auch ein durch Temperaturabsenkung verursachter Volumenschwund der Hydraulikflüssigkeit wird auf diesem Weg aus dem Hydrospeicher 5 ausgeglichen. Ein zu hoher Druck im Hydrauliksystem, der auch durch Ausdehnung der

Hydraulikflüssigkeit bei Temperaturerhöhung verursacht werden kann, wird durch die Druckbegrenzungsventile 7 verhindert, indem über diese in einem solchen Fall Hydraulikflüssigkeit aus den Volumina V ₁ bzw. V ₂ in den Hydrospeicher 5 entweichen kann .

Bei den passiven Hydrauliksteuerungen der gattungsgemäßen Art muss davon ausgegangen werden, dass diese ohne entsprechende Korrekturmaßnahmen über längere Zeiträume nicht positionsstabil sind. Die mit Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 beschriebenen Kolbenwegverknüpfungen können nicht dauerhaft sichergestellt werden. Ursache sind u. a. Leckagen z. B. in Form des Übertrittes von Hydraulikflüssigkeit von V ₁ nach V ₂ oder umgekehrt über die Zylinderkolbendichtung. Auch Nachoder Rückspeisung vom bzw. zum Hydrospeicher 5 verlaufen nicht synchronisiert für V ₁ und V ₂ ab und beeinträchtigen daher die dauerhafte Volumenkonstanz für V ₁ und V ₂ . Die

Wegverknüpfung für die Kolben der Hydraulikzylinder müsste demnach anstelle mittels Gleichung 2 durch folgende Gleichung 4 beschrieben werden:

As = k ₁ s ₁ +k ₂ s ₂ +...+k _n s _n (4) In dieser Gleichung 4 stellt der Wert As das Maß für den Positionsfehler der passiven Hydrauliksteuerung dar. Die Hydraulikkolben sind also in Summe um das Maß As aus ihrer Solllage verschoben.

Idealer Weise sollte As natürlich stets den Wert Null annehmen. Dazu wird, wie beispielsweise in der Druckschrift DE 299 13 547 Ul beschrieben, eine mindestens zeitweise wirkende hydraulische Verbindung zwischen den beiden Volumina V ₁ und V ₂ hergestellt. In Figur 2 ist diese hydraulische Verbindung mittels eines Drosselventils 4 realisiert. Dies ermöglicht den Austausch geringer Mengen Hydraulikflüssigkeit zwischen den beiden Volumina V ₁ und V ₂ . Damit dieser Austausch von Hydraulikflüssigkeit im Mittel in die gewünschte Richtung erfolgt, muss dem Gesamtsystem durch andere Maßnahmen eine Grundposition aufgeprägt werden. In der Anordnung nach Figur 2 wird der passiven Hydrauliksteuerung durch die Positionierfedern 3 eine Grundposition vorgegeben. Hier sei diese beispielhaft jeweils mit der Mittelstellung der Kolben in beiden Hydraulikzylindern 1 festgelegt. Greifen keine äußeren Kräfte an den Kolbenstangen der

Hydraulikzylinder 1 an, so werden für den Fall, dass sich die beiden Kolben nicht in ihrer Mittelstellung befinden, diese von den Positionierfedern 3 in die Mittelstellung gedrückt, wobei gegebenenfalls Hydraulikflüssigkeit über das Drosselventil 4 vom Volumen V ₁ zum Volumen V ₂ oder umgekehrt verschoben werden kann. Eine Positionskorrektur ( Δs —>0) erfolgt also getrieben von den Positionierfedern 3.

Kurzzeitig bzw. dynamisch von außen auf die Kolbenstangen wirkende Kräfte führen nur zu unwesentlichem Übertritt von Hydraulikflüssigkeit über das Drosselventil 4, da dieses über einen hinreichend großen Strömungswiderstand verfügt. Jedoch verursachen statisch von außen auf die Kolbenstangen wirkende Kraftanteile mit zunehmender Zeitdauer immer größeren Übertritt von Hydraulikflüssigkeit über das Drosselventil 4 und somit einen wachsenden Positionsfehler As . Statische Grundlasten an einer passiven Hydrauliksteuerung entsprechend Figur 2 sollten also vermieden werden, es sei denn, die Positionierfedern 3 verfügen über hinreichend hohe Vorspannung (sprunghafter Federkennlinienverlauf bei Mittelstellungsdurchgang des Kolbens).

Die Positionierfedern 3 müssen nicht, wie in Figur 2 dargestellt, integraler Bestandteil der Hydraulikzylinder 1 sein. Sie können auch auf das vom Hydraulikzylinder 1 angesteuerte Bauteil wirken, ohne selbst Bestandteil des Zylinders zu sein. In den weiter vorn genannten Anwendungsbeispielen für passive Hydrauliksteuerungen sind es unter anderen die Sekundärfedern der Schienenfahrwerke (Drehgestelle) , die mit ihrer Flexicoilwirkung den mittels passiver Hydrauliksteuerung angesteuerten Schienenfahrwerken eine Grundstellung aufprägen.

Eine Positionskorrektur für eine passive Hydrauliksteuerung mittels Positionierfedern und Drosselventil zwischen den beiden Volumina V ₁ und V ₂ , wie sie in Figur 2 prinzipiell wiedergegeben ist, hat nicht nur den Nachteil, dass statisch wirkende Grundlasten mit einer derartigen Steuerung nur bedingt beherrschbar sind. Nachteilig ist insbesondere, dass für die Verschiebung eines Zylinderkolbens zusätzlich die

Kraft aufgebracht werden muss, die zum Verspannen aller Positionierfedern erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile einer passiven Hydrauliksteuerung mit

Positionskorrektur durch Positionierfedern und Drosselventil zwischen den beiden Volumina V ₁ und V ₂ zu beheben. Es soll eine passive Hydrauliksteuerung der gattungsgemäßen Art so ausgebildet werden, dass eine Positionskorrektur auch ohne Elemente, die den Bewegungen der Steuerung Kräfte entgegensetzen, möglich ist und dass von dieser passiven Hydrauliksteuerung auch statische Grundlasten übertragen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeweils dann, wenn der Positionsfehler As eine zu definierende positive Positionsfehlergrenze +As überschreitet bzw. eine negative Positionsfehlergrenze -As unterschreitet, eine Verbindung zwischen den beiden Volumina V ₁ und V ₂ zum Zwecke des Austausches von Hydraulikflüssigkeit zwischen beiden Volumina hergestellt wird, dass diese Verbindung den Austausch von Hydraulikflüssigkeit stets nur in eine Richtung, die in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Positionsfehlers As festgelegt ist, zulässt, dass diese Verbindung mindestens dann hergestellt ist, wenn nicht nur eine der definierten Positionsfehlergrenzen +As bzw. — As über- bzw. unterschritten ist, sondern außerdem auch alle Produkte aus den Kolbenwegen s ...S _n und den jeweils zugehörigen Proportionalitätsfaktoren k _r .Jc _n das gleiche Vorzeichen aufweisen wie der Positionsfehler As und dass der Austausch von Hydraulikflüssigkeit über diese Verbindung durch Krafteinwirkung auf die Kolbenstangen der Hydraulikzylinder getrieben wird.

In Figur 3 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete passive Hydrauliksteuerung, bei der mehrere Hydraulikzylinder 1 untereinander hydraulisch verbunden sind, beispielhaft dargestellt. Die Kolbenwege s...s _n der Zylinder 1 werden mittels der Wegsensoren 8 erfasst. Die Signale der Wegsensoren 8 werden einer Auswerte- und Steuereinheit 9 zugeführt. Diese ermittelt aus den Signalen der Wegsensoren 8 den Wert für den Positionsfehler As entsprechend Gleichung 4. Je nach Genauigkeitsanforderung an die

Hydrauliksteuerung sind der Minimal- und Maximalwert für den Positionsfehler As festzulegen und stehen in der Auswerte- und Steuereinheit 9 als Referenzwerte zur Verfügung. Unter ^¬ bzw, überschreitet der von der Auswerte- und Steuereinheit 9 ermittelte As -Wert den entsprechenden Grenzwert, so wird an einem der Ausgänge der Auswerte- und Steuereinheit 9 ein Signal für die Ansteuerung eines der Austauschventile 10 zur Verfügung gestellt. Das entsprechende Austauschventil 10 öffnet und es kann ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit von V ₁ nach V ₂ oder umgekehrt stattfinden, wobei die mögliche Austauschrichtung hier durch das jeweilige Rückschlagventil 11 festgelegt ist.

Die Ausgestaltungsvariante der Erfindung aus Figur 3 ist in Figur 4 nochmals dargestellt, jedoch nur mit zwei

Hydraulikzylindern 1 und mit Positionsfehler. Der obere Zylinder 1 in Figur 4 befindet sich in der Nullposition während der Kolben des unteren Zylinders 1 um einen Betrag |Δs| zur positiven Seite hin verschoben ist. Das Volumen V ₁ ist demzufolge zu groß, während das Volumen V ₂ zu klein ist.

Da die Kolbenflächen beider Zylinder 1 hier gleich groß sind, können beide Proportionalitätsfaktoren entsprechend der

Gleichung 3 k ₁ =k ₂ =l gesetzt werden, wobei ihre Vorzeichengleichheit dadurch gegeben ist, dass die Verbindungsleitungen 2 zwischen den Zylindern 1 nicht gekreuzt sind. Nach Gleichung 4 wird somit ein positiver Wert für As von der Auswerte- und Steuereinheit 9 ermittelt. Ist dieser Wert größer als der vorgegebene Maximalwert, so stellt die Auswerte- und Steuereinheit an ihrem Ausgang A+ ein Signal zur Ansteuerung eines Austauschventils 10 zur Verfügung. In Figur 4 wird das obere Austauschventil 10 angesteuert, welches bedingt durch die Einbaurichtung des zugehörigen Rückschlagventils 11 einen Austausch von Hydraulikflüssigkeit von V ₁ nach V ₂ ermöglicht, nicht jedoch umgekehrt. Bei der in Figur 4 dargestellten Situation kommt es immer dann zu dem gewünschten Flüssigkeitsaustausch von V ₁ nach V ₂ und damit zur Verringerung des Positionsfehlers, wenn im Volumen V ₁ im Vergleich zum Volumen V ₂ der höhere Druck herrscht. Dies ist dann der Fall, wenn an den Kolbenstangen der Zylinder 1 Zugkräfte wirken. Der Austausch der Hydraulikflüssigkeit zwischen den beiden Volumina wird also durch die auf die Kolbenstangen wirkenden Kräfte getrieben. Für den Fall, dass Druckkräfte an den Kolbenstangen der Zylinder 1 wirken, wird der Druck in V ₂ der größere sein. Ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit findet nicht statt, der Positionsfehler bleibt unverändert. Die Funktion der erfindungsgemäßen Positionskorrektur ist also daran gebunden, dass an den Kolbenstangen Kräfte wirken, die mindestens für kurze Zeitintervalle ihre Wirkrichtung ändern, wobei dies mit hinreichender Häufigkeit erfolgen muss. Dieser Einschränkung hinsichtlich der Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Positionskorrektur steht der Vorteil gegenüber, das deren Funktion nicht an eine Zufuhr von Fremdenergie für den Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen den beiden Volumina gebunden ist.

In Figur 5 ist eine passive Hydrauliksteuerung der erfindungsgemäßen Art dargestellt, die anstelle der Wegsensoren 8 aus Figur 3 bzw. Figur 4 über Schaltkontakte 12 und 13 verfügt. Diese Schaltkontakte 12 und 13 signalisieren das Überschreiten der Nullposition durch die Zylinderkolben in die positive bzw. in die negative Wegrichtung. Da hier keine quantitative sondern nur eine qualitative Weginformation zur Verfügung steht, ist die Auswertung dieser Signale einfacher realisierbar. Durch entsprechende Verschaltung der Schaltkontakte 12 bzw. 13 wird eine Und-Verknüpfung der Wegsignale erzeugt. Wenn also für alle an der passiven Hydrauliksteuerung beteiligten Zylinder 1 gilt, dass das Produkt aus ihrem Kolbenweg S _n und dem zugehörigen Proportionalitätsfaktor k _n positiv ist, wird eine hydraulische Verbindung mittels des Austauschventils 10 hergestellt, welches in Verbindung mit einem Rückschlagventil 11 den Austausch von Hydraulikflüssigkeit vom Volumen V ₁ zum Volumen V ₂ ermöglicht. Sind die Produkte aus den Kolbenwegen s _n und den zugehörigen

Proportionalitätsfaktoren Jc _n alle negativ, so wird der Austausch von Hydraulikflüssigkeit in umgekehrter Richtung vom Volumen V ₂ zum Volumen V ₁ ermöglicht.

Funktionell vergleichbar mit der passiven Hydrauliksteuerung nach Figur 5 ist die Ausgestaltungsvariante entsprechend Figur 6. Hier werden die Austauschventile 10 nicht über elektrische Hilfsenergie angesteuert, sondern unmittelbar von den Kolbenstangen der Zylinder 1, wobei jedem Zylinder 1 entsprechende Austauschventile 10 und Rückschlagventile 11 zugeordnet sind. Mittels der Austauschleitung 14 erfolgt die Verknüpfung der in den Schaltstellungen der

Austauschventile 10 widergespiegelten Weginformation der Zylinderkolbenstangen .

Figur 7 zeigt eine gleiche Anordnung einer passiven Hydrauliksteuerung wie Figur 6, jedoch sind hier die

Zylinderkolben nicht in ihrer Nulllage dargestellt. Der Kolben des einen Zylinders 1 ist in positive Wegrichtung verschoben, der andere Zylinderkolben in die negative Wegrichtung, jedoch beide um den gleichen Betrag. Da hier wiederum an beiden Zylindern 1 beispielhaft gleich große Kolbenflächen angenommen werden und die Verbindungsleitungen 2 nicht gekreuzt sind, gilt für die Proportionalitätsfaktoren wieder k ₁ = k ₂ =l. Nach Gleichung 4 beträgt also der Positionsfehler Δs=0. Ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen den beiden Volumina ist daher weder erforderlich noch zulässig. Wie man aus Figur 7 entnehmen kann, ist dies durch die gegensätzliche Wirkrichtung der Rückschlagventile 11, die den jeweils freigeschalteten Austauschventilen 10 zugeordnet sind, gewährleistet.

Eine andere Kolbenstellung für eine passive

Hydrauliksteuerung nach Figur 6 bzw. Figur 7 zeigt Figur 8. Hier sind die Kolben beider Zylinder 1 in die positive Wegrichtung verschoben. Nach Gleichung 4 ergibt sich hier ein von Null verschiedener Wert für den Positionsfehler As (da wieder U ₁ =U ₁ =I ist Δs>0). Ein Austausch von

Hydraulikflüssigkeit vom Volumen V ₁ zum Volumen V ₂ ist somit für eine Positionskorrektur erforderlich. Durch die in Figur 8 dargestellte Ventilstellung wird dies für den Fall, dass im Volumen V ₁ ein höherer Druck herrscht als im Volumen V ₂ , ermöglicht. In Figur 8 ist der Weg der

Hydraulikflüssigkeit über die Austauschleitung 14 mit entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet.

In Figur 9 ist die passive Hydrauliksteuerung nach Figur 6 bis Figur 8 in einer etwas anderen Situation wiedergegeben. In dieser Darstellung ist der Kolben des oberen Zylinders 1 in die positive Wegrichtung verschoben, der Kolben des unteren Zylinders 1 jedoch in die negative Wegrichtung. Im Unterschied zu Figur 7 sind die Kolbenwege an den beiden Zylindern 1 jedoch auch betragsmäßig unterschiedlich. Es würde somit nach Gleichung 4 ein Positionsfehler As verschieden von Null ermittelt. Da dieser - für die in Figur 9 wiedergegebenen Kolbenstellungen und mit der Annahme k ₁ =k ₂ =l - positiv ist, ist ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit vom Volumen V ₁ zum Volumen V ₂ für eine

Positionskorrektur erforderlich, jedoch für die dargestellten Kolbenstellungen nicht möglich. Die Positionskorrektur kann erst dann erfolgen, wenn Kolbenbewegungen stattgefunden haben, die Kolbenpositionen vergleichbar mit denen nach Figur 8 erzeugt haben, also wenn beide Kolben in die positive Wegrichtung verschoben sind.

Der Austausch der Hydraulikflüssigkeit vom Volumen V ₁ zum Volumen V ₂ bzw. auch umgekehrt ist also solange möglich, solange eine der definierten Positionsfehlergrenzen +As bzw. -As über- bzw. unterschritten ist und außerdem auch alle Produkte aus den Kolbenwegen s ...S _n und den jeweils zugehörigen Proportionalitätsfaktoren k _v ..k _n das gleiche Vorzeichen aufweisen wie der Positionsfehler As . Diese einschränkende Bedingung für die Funktion der

Positionskorrektur wird dadurch erzeugt, dass bei den passiven Hydrauliksteuerungen, wie sie ab Figur 5 dargestellt

sind, die Wegsignale für die Kolbenwege darauf reduziert sind, festzustellen, ob der jeweilige Kolben sich auf der einen oder anderen Seite der Nullposition befindet. Es ist also jeweils nur das Vorzeichen der Kolbenwege „bekannt", und das nur für den Fall, dass die Schaltschwellen der Schaltkontakte 12 bzw. 13 in Figur 5 oder der Austauschventile 10 in den folgenden Figuren überschritten sind. Da also die tatsächlichen Beträge der Kolbenwege bei den passiven Hydrauliksteuerungen, wie sie ab Figur 5 dargestellt sind, nicht für die Funktion der

Positionskorrektur herangezogen werden, liefert die Gleichung 4 nur dann eine Aussage über das Vorzeichen des Positionsfehlers As, wenn alle Produkte A ₁ -S ₁ ; k ₂ -s ₂ ... k _n -s _n das gleiche Vorzeichen aufweisen. Dann hat die Summe dieser Produkte, also der Positionsfehler As, dasselbe Vorzeichen wie jedes der Produkte.

In Figur 10 ist die ab Figur 6 behandelte passive Hydrauliksteuerung nochmals dargestellt, jedoch mit mehreren Zylindern 1. Auch Figur 11 zeigt eine modifizierte Form der aus Figur 6 bekannten passiven Hydrauliksteuerung. Hier sind die Verbindungsleitungen 2 zwischen den Hydraulikzylindern 1 gekreuzt. Dies führt dazu, dass Proportionalitätsfaktoren nach der Kreuzung ihr Vorzeichen ändern. Bei gleichen Kolbenflächen an beiden Zylindern 1 nimmt Gleichung 4 dann für Figur 11 die folgende Form an:

As = S ₁ -S ₂ .