Die Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung zur stetigen Einstellung von Hydrauliksystemen.

Üblicherweise werden zur stetigen Einstellung eines Hydrauliksystems sog. Proportional ventile eingesetzt. Diese Proportional ventile sind Steuergeräte mit elektrischem Eingangssignal, die ein Hydrauliksystem nach Steuerungsanweisung mit stetiger Signalbildung einstellen, um die Ausgangsgröße der Strecke, beispielsweise in Form der Kraft eines hydraulischen Arbeitszylinders, stetig zu beeinflussen.

Eingabeglied für das elektrische Signal, insbesondere in Form von Strom, ist der sog. Proportionalmagnet, der ein elektrisches Signal in eine Kraft umwandelt. Der Proportionalmagnet übt über das von ihm erzeugte Magnetfeld eine Kraft auf einen ferromagnetischen Körper aus, regelmäßig in Form eines Magnetankers. Über eine Anpassung der Steuergeometrie in Verbindung mit einer unmagnetischen Zone kann die Magnetkraft-Hub-Kennlinie dahingehend variieren, dass eine nahezu wegunabhängige konstante Magnetkraft erzeugt werden kann. Die unmagnetische Zone wird üblicherweise durch einen Schwei ßprozess erzeugt, welcher, um eine gleichbleibende Qualität erzielen zu können, mit einem sehr hohen Aufwand überwacht werden muss. Das angesprochene elektrische Signal wird von einer Verstärkerelektronik mit interner Stromregelung erzeugt. Dabei wird die Wi- derstandsänderung der Spule durch den elektrischen Strom kompensiert sowie die Strombeeinflussung durch die Bewegung des ferromagnetischen Ankers im Magnetfeld. Üblicherweise muss auch ein überlagerter, sog. Dither zur Reibungsminimierung angewendet werden. Diese Maßnahmen zur Reibungsminimierung auf der elektrischen Seite des Ventils erfordern dann wiederum geeignete Maßnahmen beim mechanischen Teil des Proportionalventils, wie die Lagerung des ferromagnetischen Ankers und hochgenau bearbeitete Flächen zur Führung der mechanischen Bauteile. Um die vorstehend beschriebenen Nachteile von Proportionalventilen zu vermeiden, ist in der EP 2 431 640 A2 bereits ein Verfahren zum Ansteuern einer ballistischen Bewegung eines Sperrkörpers eines Ventils aufgezeigt, wobei der Sperrkörper zur Sperrung eines Durchflussquerschnitts des Ventils ausgebildet ist, wobei der Sperrkörper in eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung schaltbar ist, wobei der Sperrkörper in einer Ruhelage die erste Schaltstellung einnimmt, und wobei der Sperrkörper entsprechend auf ein Aktivierungssignal aus seiner Ruhelage bewegt wird.

Das dahingehend bekannte Verfahren wird auf eine hydraulische Steuerung zur Versorgung und zeit- und mengengenauen Dosierung von Schmierstoff an einer Schmierstelle in einem 2-Takt-Großdieselmotor eingesetzt. Die Schmiermenge wird dabei über ein 2/2-Wege- Ventil dosiert, welches ballistisch angesteuert wird. Das heißt, das Ventil wird über Strompulse kurzer Dauer angesteuert, die in der Regel nicht ausreichen, den Ventilkolben in seine Endlage bei voller Öffnung zu bringen. Der Öffnungshub erfolgt ballistisch, d.h. der Kolben wird durch die pulsartige Magnetbetätigung in Öffnungsrichtung gestoßen und fällt unter Einwirkung der entgegengesetzt dieser Bewegung wirkenden Ventilfeder und den am Ventil anstehenden Strömungskräften wieder in seine geschlossene Endlage zurück. Die Dauer des Pulses bestimmt dabei die pro ballistischen Öffnungshub dosierte Ölmenge. Mit dem genannten Betriebsmodus lassen sich bei der bekannten Ansteuer- lösung mittlere Volumenströme einstellen, die beispielsweise um einen Faktor 1/10000 unter dem Nennvolumenstrom des Grundventils liegen können. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, handelsübliche Proportional-Druckregelventile von ihrem Ventilverhalten her mit vereinfachten Mitteln und somit kostengünstig sowie in funktionssicherer Weise mit anderen Mitteln zu realisieren. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Druckregelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bestehend aus mindestens

- zwei, vorzugsweise sitzdicht ausgebildeten, Schaltventilen,

- einer Regeleinrichtung,

- einer Sensoreinrichtung, insbesondere einer Drucksensoreinrichtung, und - einer Spannungsversorgung.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, besonders einfach die Ausgangsgröße einer Strecke mit Schaltventilen, vorzugsweise mit sitzdichten Schaltventilen, und ohne komplexe Verstärkerelektronik, stetig einzu- stellen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ein verschleißarmes

Schalten des jeweiligen Ventils. Alle etwaig auftretenden Nichtlinearitäten werden durch die Regeleinrichtung derart günstig beeinflusst, dass jedenfalls eine stetige Einstellung ermöglicht ist. Die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung ist dabei besonders effizient im Umgang mit hydraulischer Energie.

Die nach der Erfindung eingesetzten Schaltventile sind vom konstruktiven Aufbau des Magnetsystems her wesentlich einfacher als Proportionalventile zu realisieren. Insbesondere das Steuer-Konussystem kann einfacher reali- siert werden, da man nicht zwingend, wie beim Proportional-

Druckregel ventil, im Wesentlichen horizontal verlaufende Kraft-Hub- Kennlinien einzuhalten braucht. Alle Abweichungen bezüglich der Magnetkraft, welche durch den Schweißprozess und durch die Fertigung bei den bekannten Proportionalventilen entstehen, spielen keine Rolle, solange eine Mindestkraft erreicht wird. Das Gleiche gilt auch für die Varianz der Magnetkraftlinie in der Serienproduktion. Des Weiteren ist eine übliche Lagerung des Magnetankers mit DU-Lager zur Reibungsreduzierung sowie die Dither-Ansteuerung nicht notwendig.

In Kombination mit einer oder mehreren Sensoreinrichtungen, insbesonde- re unter Einsatz mindestens eines Drucksensors, und einer geeigneten Mikroprozessoreinheit ergibt sich die Möglichkeit, vollwertige Proportionalventile in einfacher Weise nachzubauen. Dabei genügen Prozessoren mit geringer Taktfrequenz, was die Kosten für die Gesamt- Druckregelvorrichtung senken hilft.

Der im Rahmen der Druckregelvorrichtung eingesetzte Regelkreis besteht aus der Regeleinrichtung selbst, dem Stellglied regelmäßig bestehend aus dem eigentlichen Magnetventil und einem Ventiltreiber, dem Hydrauliksystem und dem bereits angesprochenen Sensor. Dieser Sensor der Sensorein- richtung sendet den aktuellen Messwert oder Ist-Wert als Signal zum Mikroprozessor. Dieser vergleicht dann diesen Ist-Wert mit dem Soll-Wert, der von einer übergeordneten Eingabestelle zum Mikroprozessor gelangt. In Abhängigkeit der Größe des Fehlers e, der sich aus der Differenz von Soll- Wert mit dem Ist-Wert ergibt, bestimmt der Mikroprozessor die weitere Schaltweise für die eingesetzten beiden Ventile. Durch dieses System wird ein proportionales Verhalten eines Proportional-Druckregelventils mit zwei einfachen Schaltventilen erreicht. Dahingehende Schaltventile haben im Gegensatz zu Proportionalventilen keine Hysterese und mit der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung lassen sich ohne weiteres eine Druckmin- derfunktion, eine Druckbegrenzung oder eine Druckregelung realisieren. Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die Fig. 1 in der Art eines elektrischen und hydraulischen Schaltplans den grundsätzlichen Aufbau der Druckregel Vorrichtung und

Fig. 2 den zeitlichen Druckverlauf bei einer Druckregelung mit einer Druckregelvorrichtung nach der Fig. 1.

Zunächst sei anhand eines handelsüblichen Proportional-Druckregelventils kurz dessen Funktion erklärt, die auch mit der erfindungsgemäßen Druck- regelvorrichtung realisiert werden soll. Bei den dahingehenden Druckreglern handelt es sich regelmäßig um solche in Schieberbauweise. Im un- bestromten Zustand ist dabei der Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss verschlossen. Ferner ist der Verbraucheranschluss mit dem Tankanschluss fluidführend verbunden. Wird nun ein Stromsignal an den Proportional- magneten des Druckregelventils angelegt, drückt der Magnet mit einer der Höhe des Steuerstroms entsprechenden Kraft auf den Regelkolben des Ventils. Dadurch wird der Regelkolben gegen eine Rückstellfeder verschoben und das Hydrauliköl strömt vom Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss zum Verbraucheranschluss. Durch einen am Verbraucheranschluss ange- schlossenen hydraulischen Verbraucher, beispielsweise in Form eines Wege-Schieberventils, baut sich am Verbraucheranschluss ein Druck auf, der beispielsweise auf einen Druckmeldestift des Proportional-Druckregelventils einwirken kann und insoweit eine Gegenkraft zur Kraft des Proportionalmagneten erzeugt. Dadurch ergibt sich wiederum eine Bewegung des Regelkolbens mit dem Druckmeldestift zurück in die vorstehend beschriebene Ausgangslage, was zur Folge hat, dass der Zufluss vom Druckversor- gungs- oder Pumpenanschluss zum Verbraucheranschluss verringert wird, bis wiederum der am Verbraucheranschluss anliegende Druck der Magnetkraft abzüglich der Federkraft der Rückstellfeder und damit der Druckwert- Vorgabe über dem anstehenden Stromsignal entspricht. Benötigt der ange- schlossene Verbraucher am Verbraucheranschluss keine Druckflüssigkeit mehr, beispielsweise weil das angesprochene Wege-Schi eberventil sich am Anschlag befindet, bewegt sich der Regelkolben weiter zurück und verschließt die Zulaufbohrungen. Fällt der Ausgangsdruck durch die Entlastung des Verbrauchers am Verbraucheranschluss des Ventils unter die Druckvorgabe, drückt der Magnetanker den Regelkolben wiederum in eine Regelposition und der Regelvorgang beginnt erneut. Der maximal erreichbare Regeldruck wird dabei durch die Magnetkraft des Proportional magneten dem Grunde nach festgelegt. Steigt der Druck am Verbraucheranschluss über den Vorgabewert an, wird der Regelkolben mit dem Magnetanker derart verschoben, dass die Verbindung vom Verbraucheranschluss zum Tankanschluss geöffnet wird. Hierdurch lässt sich der Druck am Verbraucheranschluss begrenzen. Im Falle einer Unterbrechung des Steuerstroms wird der Regelkolben vom Druck am Verbraucheranschluss und der Rückstellfeder zurückgezogen. Dadurch wird der Verbraucheranschluss mit dem Tankanschluss verbunden und der Verbraucherdruck am Verbraucheranschluss fällt auf das Tankniveau, das am Tankanschluss ansteht, ab. Die vorstehend beschriebene bekannte Druckregelfunktion für ein handelsübliches Proportional-Druckregelventil wird nunmehr gemäß der Erfindung mit zwei sitzdichten 2/2-Wege-Schaltventilen nachgebildet. Dabei erlauben die dahingehenden sitzdichten Ventile ein leckagefreies Absperren des an das Ventil angeschlossenen hydraulischen Verbrauchers. Um dies näher zu erläutern, wird auf die Darstellung nach der Fig. 1 zurückgegriffen, die die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung zeigt. Diese besteht aus zwei Schaltventilen 10, 12, die vorzugsweise sitzdicht als 2/2-Wege-Schaltventile, ausgebildet sind. In der gezeigten Ausführungsform nach der Fig. 1 ist das Schaltventil 10 zur Realisierung einer Druckminderfunktion eingesetzt und das zweite Schaltventil 12 dient zur Realisierung einer Druckbegrenzungsfunktion. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung eine als Ganzes mit 14 bezeichnete Regeleinrichtung auf mit einem Rechner 16, vorzugs- weise in Form eines Mikroprozessors μο. Der auf dem Mikroprozessor /c laufende Regelalgorithmus erlaubt eine Ansteuerregelung, insbesondere in Form einer PID-Regelung sowohl für das Schaltventil 10 als auch für das Schaltventil 12. Zwischen die beiden Schaltventile 10, 12 mündet eine Druckversorgungsleitung 18 ein, die zu einem nicht näher dargestellten hydraulischen Verbraucher führt, beispielsweise auf die Kolbenseite eines hydraulischen Arbeitszylinders ausmündet. An die Druckversorgungsleitung 18 ist eine Sensoreinrichtung 20 angeschlossen, insbesondere in Form eines handelsüblichen Drucksensors, der den jeweils in der Druckversorgungsleitung 18 anstehenden Verbraucherdruck in einen Ist-Spannungswert um- wandelt, der als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung 14 dient: Dieser Ist- Spannungswert wird mit einem weiteren Eingangswert der Regeleinrichtung 14 in Form der Soll-Wert- Vorgabe 22 innerhalb des Mikroprozessors /c durch den angesprochenen Regelalgorithmus verglichen, wobei die dahingehende Soll-Wert- Vorgabe 22 einem weiteren Spannungswert entspricht, der sich aus einer Druck-Soll-Vorgabe ergibt, die beispielsweise die ausgefahrene Kolben-Stangeneinheit des angesprochenen hydraulischen Arbeitszylinders unter Last einnehmen soll. Anstelle der genannten Spannungswerte lassen sich auch elektrische Stromgrößen einsetzen. Neben einer Spannungsversorgung 24 in Form üblicher Spannungsquellen 24 benötigen die angesprochenen Schaltventile 10, 12 noch einen sog. Ventiltreiber, bestehend aus elektronischen Schaltern 26 und daran angeschlossenen Stellmagneten. Die Schalter 26 werden vorzugsweise von sog. Feldeffekt-Transistoren (FET) angesteuert, die Bestandteil der Regeleinrichtung 14 sind. Die insoweit nicht dargestellten Transistoren üblicher Bauart erhalten ihre Eingangssignale von der bereits angesprochenen PID-Regelung für jedes Schaltventil 10, 12. Die Ausgangssignale der PID-Regler sind in der Fig. 1 in Form von Rechtecksignalen 30 symbolhaft wiedergegeben. Darüber hinaus verfügt die Regeleinrichtung 14 für einen sinnfälligen Betrieb noch über einen weiteren Eingang 32 für den Erhalt eines sog. Frei- gabesignals einer übergeordneten Steuerung, die auch aus einer Maschinensteuerung bestehen kann, und verfügt über zwei weitere Ausgänge 34, 36, einmal für die Erfassung von Störungssignalen bzw. für eine Messwerterfassung. Für einen sinnfälligen Betrieb der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung ist es darüber hinaus notwendig, dass das erste Schaltventil 10 auf seiner Eingangsseite an einen Druckversorgungs- oder Pumpenan- schluss 38 angeschlossen ist, und dass das zweite Schaltventil auf seiner Ausgangsseite über einen Tankanschluss 40 verfügt, der Tankdruck oder Umgebungsdruck aufweist. Ferner ist das Schaltventil 10 auf seiner Ausgangsseite an eine Verbindungsleitung 42 angeschlossen, die auf die Ein- gangsseite des zweiten Schaltventils 12 führt, wobei, wie bereits angesprochen, die Druckversorgungsleitung 18 für den hydraulischen Verbraucher in die Verbindungsleitung 42 fluidführend einmündet.

Die angesprochenen beiden Schaltventile 10, 12 stellen die sog. Steuerkan- ten der vorstehend beschriebenen Druckregelvorrichtung dar. Dabei übernimmt die eine Steuerkante als sog. Pumpensteuerkante des ersten Schaltventils 10 die Druckminderfunktion und die andere Steuerkante als sog. Tanksteuerkante des zweiten Schaltventils 12 die Druckbegrenzungsfunktion. Der in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen oben dargestellte PID-Regler übernimmt dabei den Betrieb für die Druckminderfunktion betreffend das erste Schaltventil und der untere PID-Regler den Betrieb für die Druckbegrenzungsfunktion für das zweite Schaltventil 12.

Der in der Fig. 1 gezeigte Drucksensor als Teil der Drucksensoreinrichtung 20 misst am nicht näher dargestellten hydraulischen Verbraucher den aktuellen Druckwert über dessen Druckversorgungsleitung 18. Dieser Ist-Druck wird in die Regeleinrichtung 14 eingelesen und mit dem Soll-Wert an der Soll-Wert- Vorgabe 22 verglichen. In Abhängigkeit des Fehlers e = Soll-Wert abzügl. dem Ist-Wert entscheidet dann der Regelalgorithmus, welche Steu- erkante geöffnet werden muss, um auf den gewünschten Soll-Wert zu gelangen und um dergestalt die Regelabweichung zu minimieren. Hierfür berechnet der Regelalgorithmus die Einschaltdauer für den jeweiligen Transistor und gibt die Einschaltdauer für die Transistoren resp. für die Schalter 26 vor. Ist der angesprochene Fehler e klein, werden beide Ventile 10, 12 sitz- dicht geschlossen. Dies ist im Vergleich zu den angesprochenen bekannten Proportional-Ventilen energetisch sehr günstig, da zum einen keine Leckage in Richtung des Tankanschlusses 40 entsteht und somit nicht unnötig hydraulische Energie verschwendet wird. Da die angesprochenen Stellmagnete 28 über bestrombare Spulen verfügen, müssen diese für einen sinnfälli- gen Betrieb der Druckregelvorrichtung nicht ständig bestromt werden, so dass sich diese auch nicht erwärmen können, was für manche Anwendungen der Druckregelvorrichtung unerwünscht ist.

Die PWM(Pulsweitenmodulierte)-Frequenz sollte vorzugsweise deutlich über der sog. Eckfrequenz der beiden Ventile 10, 12 liegen, was die Mechanik inklusive der Stellmagnete 28 für die Ventile betrifft. Ein Proportio- nal-Ventil reagiert immer nur auf den Druck in unmittelbarer Nähe zum Ventil. Gemäß der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung kann die Regelgröße selbst an einem beliebigen Ort im hydraulischen System abgegriffen werden. Somit ist die Regelstrecke selbst beliebig, abgestimmt auf das Gesamtsystem und die Regelaufgabe, wählbar. Zur weiteren Erläuterung sei auf die Fig. 2 verwiesen, die einen berechneten Druckverlauf in bar (gestufter Kurvenverlauf) über der Zeit bei einer vorgegebenen Druckrampe, die als linear verlaufendes Dreieck dargestellt ist, angibt. Die Druckregelvorrichtung war dabei an ein abgeschlossenes, nicht veränderliches Volumen angeschlossen (V = const. = 0,15 I).

Das digitale Druckregel ventil nach der Fig. 1 besteht, wie dargelegt, aus den beiden Schaltventilen 10, 12, die hier nachfolgend unmittelbar als zwei Steuerkanten bezeichnet werden. Dabei lässt eine Pumpensteuerkante Öl von der Pumpe (Anschluss 38) zum Verbraucher zu und die tankseitige Steuerkante transportiert Öl vom Verbraucher zum Tankanschluss 40.

Um den Druck zu ändern, wird das Schließelement der Steuerkante nach der Druckänderungsgeschwindigkeit

geöffnet, d.h. die Regeleinrichtung 14 öffnet je nach Fehler die entspre- chende Steuerkante, um den Druck zu erhöhen oder zu reduzieren. Der

Öffnungsquerschnitt A ergibt sich ungefähr aus der nachfolgenden Formel A ~ d · 7Γ · x. Hierbei stellt d den Sitzdurchmesser des jeweiligen Ventils dar und der Hub x des Ventilkolbens ist nach obiger Gleichung für die Druckänderungsgeschwindigkeit abhängig von der Druckdifferenz Δρ zwischen Pumpendruck und Verbraucherdruck bzw. von Verbraucherdruck zu Tankdruck. Weiterhin ist der Hub x des Schließelements auch von dem Elastizitätsmodul E der Flüssigkeit sowie dem Verbrauchervolumen V abhängig. Der Öffnungshub ist hauptsächlich von der Druckdifferenz Δρ abhängig und umso kleiner die Druckdifferenz ist, desto größer der Hub x. Druckdif- ferenzen von Δρ =0bar oder Δρ <0 bar ergeben maximale Öffnung des jeweiligen Ventils 10, 12. Alle anderen Parameter erwiesen sich in einer Simulation des Ventils als im Wesentlichen konstant. Der Hub x des jeweiligen Ventils 10, 12 wird also nicht direkt durch die Regeleinrichtung 14 bestimmt, sondern ist, wie vorstehend beschrieben, von den dargelegten Systemgrößen abhängig.

Da die innerhalb der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung eingesetzten Schaltventile 10, 12 Standardventile sind, ergeben sich insoweit keine besonderen Anforderungen bezüglich der Schaltzeit oder der Lebensdauer, die im Übrigen als verschleißarm zu charakterisieren sind. Im Vergleich zu üblichen Schieberventilen sind die Schaltventile 10, 12 als schmutzunempfindlich einzustufen. Durch geringe entstehende hydraulische Verluste sowie bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme im Regelbetrieb sind die Ventile 10, 12 als energieeffizient einzustufen. Ist das System stromlos, wird gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 das jeweilige Ventil 10, 12 von einer Ventilfeder in die dort gezeigte Sperrstellung gebracht, so dass eine Fail- Safe-Funktion realisiert ist.

Bei den bekannten Proportionalventilen kann der Druck nur direkt am jeweiligen Ventil geregelt werden, wohingegen bei der vorgeschlagenen er- findungsgemäßen Lösung der Drucksensor der Sensoreinrichtung 20 beliebig örtlich getrennt vom jeweiligen Schaltventil 10, 12 angeordnet werden kann. Die Schaltventile 10, 12 selbst sind kostengünstig auf dem Markt erhältlich. Des Weiteren ist mit der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen möglich, da die Regeleinrichtung 14 mit dem Mikroprozessor-Rechner 16 frei programmierbar ist und keine Funktionsübernahme durch die Mechanik verlangt ist.