zur Druckmittelversorgung eines hydraulischen Verbrauchers

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Druckmittelversorgung ei nes hydraulischen Verbrauchers, die zwei Arbeitsanschlüsse zur Fluidver bindung mit dem Verbraucher hat und über verschiedene Steuerventile ver fügt. Als Steuerkonzepte für solche Ventilanordnungen haben sich insbesondere Load-Sens ing-Systeme mit vor- und nachgeschalteten Individualdruckwaa gen hervorgetan, die man fachsprachlich auch als LS- bzw. LUDV-Systeme bezeichnet. Ferner haben sich für bestimmte Anwendungen Drosselsteue rungen in Open-Center-Kreisläufen mit konstanter oder bedarfsangepasster Volumenstromversorgung durchgesetzt.

Bekannte Ventilanordnungen haben häufig die Eigenschaft, dass den Zu- und Rücklaufvolumenstrom eines Verbrauchers bestimmende Drosselquer schnitte gemeinsam durch nur einen Steuerschieber verändert werden. Um im Betrieb der bekannten Ventilanordnung, beispielsweise bei Verwendung in mobilen Arbeitsmaschinen, unter allen Umständen Kavitation in Zulauf oder Rücklauf zu vermeiden, müssen die zugeordneten Zu- und Rücklauf steuerblenden am Steuerschieber mit speziell aufeinander abgestimmten Steuerkantengeometrien versehen sein, was aufwändig ist, da die genannten Geometrien an jeden Verbraucher individuell angepasst werden müssen. Auch kommt es im Betrieb derartiger Ventilanordnungen ungewollt zu Druckabfällen an solchen modifizierten Steuerkanten der Ventile, was mit einer entsprechenden Verlustleistung einhergeht.

Um diesen Nachteilen zu begegnen, ist in der WO 2016/091 528 A1 bereits eine hydraulische Ventilanordnung zur Druckmittelversorgung eines hyd raulischen Verbrauchers vorgeschlagen worden, die zwei Arbeitsanschlüsse zur Verbindung mit dem Verbraucher hat, mit einer ersten Zulaufsteuer blende, über die ein erster Zulaufstrom vom ersten der Arbeitsanschlüsse hin zum Verbraucher steuerbar ist, mit einer davon gesonderten zweiten Rücklaufsteuerblende, über die ein erster Rücklaufstrom vom Verbraucher über den zweiten Arbeitsanschluss steuerbar ist, und mit einer zweiten Zu laufsteuerblende, über die ein zweiter Zulaufstrom vom zweiten Arbeitsan schluss hin zum Verbraucher steuerbar ist, und einer davon gesonderten ersten Rücklaufsteuerblende, über die ein zweiter Rücklaufstrom vom Ver braucher über den ersten Arbeitsanschluss steuerbar ist, wobei zwei geson derte Vorsteuerventile vorgesehen sind mit der Maßgabe, dass die erste Rücklaufsteuerblende zur Steuerung des zweiten Rücklaufstroms über das erste Vorsteuerventil steuerbar ist und mit der weiteren Maßgabe, dass die zweite Zulaufsteuerblende zur Steuerung des zweiten Zulaufstroms gleich zeitig über das erste Vorsteuerventil und das zweite Vorsteuerventil steuer bar ist.

Obwohl dergestalt der zweite Zulaufstrom und der zweite Rücklaufstrom voneinander unabhängig gesteuert werden, was unter Einsatz geeigneter Software im Wesentlichen automatisch erfolgen kann, sind jedenfalls der erste Zulaufstrom und der erste Rücklaufstrom bei dahingehenden Anord nungen nicht getrennt voneinander steuerbar, so dass es wiederum an den Steuerkanten der eingesetzten Ventile ungewollt zu einem Druckabfall mit entsprechender Verlustleistung kommen kann. Demgegenüber liegt der DE 10 2012 006 21 9 A1 ein völlig anderer Steuer ansatz zugrunde, indem ein Verbraucher mit zwei Druckräumen digitalhyd raulisch angesteuert wird. Die hierfür eingesetzte digitalhydraulische Steuer anordnung ordnet dabei zumindest einem Druckraum des Verbrauchers ein jeweils als Schaltventil ausgebildetes Einlass- und Auslassventil zu, mittels deren dieser eine Druckraum absperrbar oder mit einer Druckmittelquelle oder mit einer Druckmittelsenke verbindbar ist. Ferner ist eine Steuereinheit vorgesehen zum Ansteuern des Einlassventils und des Auslassventils derart, dass ein Kammerdruck in diesem einen oder in einem anderen, weiteren Druckraum des Verbrauchers oder eine Soll-Verbraucherposition durch Kompression oder Dekompression des Druckmittels in diesem anderen Druckraum durch Druckzufuhr oder Ablassen eines Druckmittelvolumens mittels des dem einen Druckraum zugeordneten Einlassventils und Auslass ventils einstellbar ist. Die bekannte Steueranordnung setzt hierfür schnell- schaltende 2/2-Wege-Ventile ein, die vorzugsweise unter Einsatz einer bal listischen Pulsweitenmodulation (PWM) steuerbar sind. Auch dergestalt lässt sich die Druckmittelversorgung des hydraulischen Verbrauchers regel mäßig in Form eines hydraulischen Arbeitszylinders oder Hydrozylinders nach dem sogenannten Meterlnn-MeterOut-(MIMO)-Verfahren in digitaler Weise durchführen.

Nachteile bei dieser bekannten Lösung könnten darin gesehen werden, dass für die Ansteuerung der Vielzahl von Schaltventilen mittels Pulsweitenmo dulation ein erhöhter Steuerungsaufwand erforderlich ist und die heute zur Verfügung stehenden Schaltventile bei kostengünstiger Auslegung regelmä- ßig nicht derart schnell betätigbar sind, um die Steuerungsaufgabe für die Druckmittelversorgung zufriedenstellend erfüllen zu können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen dahingehend weiter zu verbessern, dass in kostengünstiger Weise und bauraumsparend sowie technisch verlässlich Verlustleistungen im Betrieb solcher Ventilanordnungen für eine Druckver sorgung eines hydraulischen Verbrauchers vermieden sind.

Eine dahingehende Aufgabe löst eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie die für eine solche Ventilanordnung einge setzte Ventilkombination gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentan spruchs 1 1 .

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung zur Druckmittelversorgung eines hydraulischen Verbrauchers, die zwei Arbeitsanschlüsse zur Fluidverbin dung mit dem Verbraucher hat, weist ein erstes Steuerventil auf, das einen ersten Zulauf aufweist, über den ein erster Zulaufstrom vom ersten Arbeitsanschluss zum Verbraucher steuerbar ist, und mit einer ersten Rücklaufsteuerblende, über die gleichzeitig mit dem ersten Zulauf ein erster Rücklaufstrom vom Verbraucher über den zweiten Arbeitsanschluss steuerbar ist, und einen zweiten Zulauf aufweist, über den ein zweiter Zulaufstrom vom zweiten Arbeitsanschluss zum Verbraucher steuerbar ist, und mit einer zweiten Rücklaufsteuerblende, über die gleichzeitig mit dem zweiten Zulauf ein zweiter Rücklaufstrom vom Verbraucher über den ersten Arbeitsanschluss steuerbar ist, und mit einem zweiten Steuerventil mit einer Zulaufsteuerblende, mit der der jeweilige Zulauf des ersten Steuerventils steuerbar ist.

Im Gegensatz zu Lösungen im Stand der Technik, bei denen die sog.

Zu- und Ablaufkanten eines Steuerventils im Steuerschieber fest mitei nander gekoppelt sind, sind bei der erfindungsgemäßen Ventilanord nung die entsprechenden Steuerkanten in„aufgelöster Bauweise" reali siert, d.h. das erste Steuerventil steuert gezielt über die jeweilige Rück laufsteuerblende den Rücklauf von Fluid aus dem Verbraucher über je weils einen der beiden Arbeitsanschlüsse, wohingegen das dem ersten Steuerventil vorgeschaltete, zweite Steuerventil den Zulaufstrom gezielt über eine Zulaufsteuerblende zum Verbraucher über einen der zuorden baren Arbeitsanschlüsse steuert respektive regelt.

Die Zulaufsteuerblende des zweiten Steuerventils kann als ein beliebi- ges Mittel zur Verengung des Strömungsquerschnitts im Zulauf ausgebil det sein, beispielsweise als eine Drossel.

Während bei den bekannten Lösungen der Ventilschieber eines Steuer ventils bezogen auf einen bestimmten Verbraucher auf einen definierten Arbeitspunkt ausgelegt ist, beispielsweise mit der Maßgabe, dass die Ventilanordnung besonders für sogenannte drückende Lasten am Ver braucher geeignet sein soll, kommt es bei sich ändernden Lastverhältnis sen am Verbraucher, beispielsweise im Rahmen von ständig wechseln den oder ziehenden Lasten, zu einer starken Ablaufdrosselung, was wie derum hohe Verlustleistungen mit sich bringt. Dies ist mit der erfin- dungsgemäßen Ventilanordnung in funktionssicherer und kostengünsti ger Weise vermieden.

Insbesondere ist mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung vermie den, dass bei ziehenden Lasten in einer Zulaufkammer des hydrauli schen Verbrauchers Kavitation entsteht, was neben Funktionsstörungen langfristig auch zu Beschädigungen an der gesamthydraulischen Anlage führen kann. Kommt es am Verbraucher zu drückenden Lasten, ist mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung vermieden, dass ein unnötiger Druckabfall an der sog. Ablaufkante des Steuerventils entsteht, da durch das„aufgelöste" Steuerungskonzept mit zumindest zwei hintereinander geschalteten Steuerventilen der Druckabfall an der Ablaufkante des Ven tils, das dem Verbraucher vorgeschaltet ist sehr gering gehalten wird, so dass kein unerwünscht hoher Druckabfall mit entsprechender Verlust leistung an der Ablaufkante dieses Steuerventils entsteht. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Ventilanordnung ist der erste und/oder der zweite Zulauf des ersten Steuerventils jeweils frei von Mitteln zur Verengung des Strömungsquer schnitts, insbesondere blenden- oder drosselfrei, ausgebildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist darüber hinaus ein drittes Steuerventil, vorzugsweise in Form einer Druckwaage, vorgese hen, dass in eine Verbindung zwischen einer Druckversorgung für die Ventilanordnung respektive für den angeschlossenen hydraulischen Ver braucher und dem zweiten Steuerventil geschaltet ist. Vorzugsweise ist dabei das dritte Steuerventil derart konzipiert, dass es in einer seiner Stellungen mit seiner Zulaufsteuerblende einen Zulauf zwischen der ge nannten Druckversorgung und dem zweiten Steuerventil steuert und in einer anderen weiteren Stellung diesen Zulauf sperrt. Dergestalt ist über das dritte Steuerventil die Druckdifferenz an dem nachfolgenden zwei ten Steuerventil geregelt, so dass insgesamt eine Zulaufvolumenstromre gelung realisiert ist, d.h. unabhängig von der Lastsituation am Verbrau cher ist immer ein definierter Zulaufvolumenstrom in Richtung des zweiten Steuerventils und mithin zu dem hydraulischen Verbraucher einstellbar.

Die Zulaufsteuerblende des dritten Steuerventils kann als ein beliebiges Mittel zur Verengung des Strömungsquerschnitts im Zulauf ausgebildet sein, beispielsweise als eine Drossel.

Gegenstand der Erfindung sind auch erste, zweite und dritte Steuerven tile für solche Ventilanordnungen gemäß der Merkmalsausgestaltung des Anspruchs 1 1 . Mit nur maximal drei Steuerventilen lässt sich in bau raumsparender Weise ein aufgelöstes Steuerkantenkonzept für den hyd raulischen Verbraucher erreichen bei geringer Verlustleistung. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ventilanord nung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.1m Folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilanordnung anhand eines Ausführungsbei spiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die einzige Figur der Anmeldung in der Art eines hydraulischen Schaltplans die wesentlichen Komponenten der Ventilanordnung mit ihren einzelnen Steuerventilen und mit einer elektronischen Ansteuermöglichkeit (ECU).

Die in der Figur gezeigte Ventilanordnung dient der Druckmittelversor- gung eines hydraulischen Verbrauchers 10, hier in Form eines hydrauli schen Arbeitszylinders, dessen Kolbenstangeneinheit 12 den Zylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt, in Form eines Kolbenraumes 14 und eines Stangenraumes 1 6. Der Kolbenraum 14 ist an einem Arbeitsanschluss A und der Stangenraum 1 6 an einen Arbeitsanschluss B der hydraulischen Ventilanordnung angeschlossen. Anstelle eines hydraulischen Arbeitszy linders kann auch ein anderer Verbraucher treten, beispielsweise in Form eines Hydromotors (nicht dargestellt). In die Fluidverbindung zwi schen dem Arbeitsanschluss A und dem Kolbenraum 14 sowie dem Ar beitsanschluss B und dem Stangenraum 16 ist jeweils ein Druckmess wertaufnehmer 18 geschaltet, der jeweils seine Messwertergebnisse an eine zentrale Steuer- oder Rechnereinheit ECU (Electronic Control Unit) zur weiteren Verarbeitung liefert.

Ferner weist die Ventilanordnung ein erstes Steuerventil 20 auf, das in einer seiner Ventilstellungen 22, über einen ersten Zulauf 24 einen ers ten Zulaufstrom vom ersten Arbeitsanschluss A zum Verbraucher 10 steuert. Ferner ist in dieser Ventilstellung 22 mittels einer ersten Rück laufsteuerblende 26 gleichzeitig mit dem ersten Zulauf 24 ein erster Rücklaufstrom 28 vom Verbraucher 10 über den zweiten Arbeitsan schluss B in Richtung Tank T geführt. In der Figur ist das erste Steuerventil 20 in seiner gesperrten Neutralstel lung 30 gezeigt und bei entsprechender Betätigung des ersten Steuer ventils 20 ist dieses in eine weitere Ventilstellung 32 gemäß der in Blickrichtung auf die Figur gesehen linken Schaltstellung bringbar. In dieser dritten Ventilstellung 32 weist das erste Steuerventil 20 einen zweiten Zulauf 34 auf, über den ein zweiter Zulaufstrom vom zweiten Arbeitsanschluss B zum Verbraucher 10 steuerbar ist. Ferner ist eine zweite Rücklaufsteuerblende 36 vorhanden, über die gleichzeitig mit dem zweiten Zulauf 34 ein zweiter Rücklaufstrom 38 vom Verbraucher 10 über den ersten Arbeitsanschluss A zum Tank T hin steuerbar ist.

Der erste und der zweite Zulauf 24, 34 des ersten Steuerventils sind je weils frei von Mitteln zur Verengung des Strömungsquerschnitts, insbe sondere blenden- oder drosselfrei, ausgebildet.

Des Weiteren weist die Ventilanordnung ein zweites Steuerventil 40 auf, mit einer Zulaufsteuerblende 42 mit der der jeweilige Zulauf 24, 34 des ersten Steuerventiles 20 steuerbar ist.

Das erste Steuerventil 20 ist ein elektromagnetisch betätigbares 4/4- Wege-Proportionalventil, das in einer vierten Ventilposition 44 (ganz rechts dargestellt) eine Schwimmstellung für den angeschlossenen Ver- braucher 10 erlaubt, d.h. zum Ausgleich eines Pendelvolumens werden in der vierten Ventilposition 44 der Kolbenraum 14 mit dem Stangen raum 1 6 direkt verbunden, wobei von Seiten des zweiten Steuerventils 40 weiter Steuerfluid nachführbar ist. Ein an das erste Steuerventil 20 eingangsseitig angeschlossener Rücklaufanschluss 46 mit Verbindungs- leitung 47 zum Tank T ist dabei gesperrt. Da die angesprochene

Schwimmstellung respektive die Ventilposition 44 nicht zwingend not wendig ist, lässt sich die erfindungsgemäße Ventilanordnung unter Weg lassen dieser Funktion auch mittels eines elektromagnetisch betätigbaren 3/4-Wege-Porportionalventils ausführen. Das erste Steuerventil 20 ist, wie üblich und in dargestellter Weise im unbestromten Zustand mittels zweier, gegenüberliegender Druckfedern in seiner Neutralstellung 30 gehalten. In Wirkrichtung parallel zu der je weiligen Druckfeder greift an dem Ventil auf gegenüberliegenden Steu erseiten ein Proportionalmagnet an, der jeweils von der zentralen Steu ereinheit ECU ansteuerbar, sprich bestrombar, ist. Während die Aus gangseite des ersten Steuerventiles 20 fluidführend an die beiden Ar beitsanschlüsse A, B angeschlossen ist, ist eingangsseitig neben der Ver bindungsleitung 47 zu dem ersten Steuerventil 20 führend noch eine weitere Verbindungsleitung 48 vorgesehen, die zum Ausgang des zwei ten Steuerventiles 40 führt.

Das zweite Steuerventil 40 ist wiederum aus einem elektromagnetisch betätigbaren 2/2-Wege-Proportionalventil gebildet und in seiner betätig ten Stellung ist die Zulaufsteuerblende 42 aktiviert. In seiner unbetätig- ten, in der Fig. gezeigten Stellung wird jedoch ein möglicher Rückstrom von dem ersten 24 und dem zweiten 34 Zulauf des ersten Steuerventils 20 stammend, verhindert, und zwar über ein im zweiten Steuerventil 40 integriertes Rückschlagventil 49, das in seiner Schließstellung den da hingehenden Rücklauf vom Ausgang des zweiten Steuerventiles 40 in Richtung seines Fluideingangs verhindert. Vorzugsweise erfolgt das Sperren des dahingehenden Rücklaufmittels mittels des Rückschlagven tils 49 in sitzdichter Weise. Auch wird wiederum das zweite Steuerven til 40 unbestromt über eine Druckfeder in seiner gezeigten gesperrten Position gehalten und erst bei entsprechender Bestromung, ausgelöst von der zentralen Steuereinheit ECU, wird über den der Druckfeder ge genüberliegend angeordneten Proportionalmagneten der Zulauf über die Zulaufsteuerblende 42 von der Eingangsseite des zweiten Steuerven tils 40 zu seinem Ausgang hin gesteuert respektive geregelt. Anstelle der genannten Proportionalmagneten für das erste oder zweite Steuerventil 20 bzw. 40 lassen sich, insbesondere bei relativ groß dimensionierten Fluidquerschnitten, besonders bevorzugt barometrische Vorsteuerungen mit Vorsteuer-Druckreglern einsetzen.

Des Weiteren weist die Ventilanordnung ein drittes Steuerventil 50 auf, vorzugsweise in Form einer Druckwaage ausgebildet, die in eine Ver bindung zwischen einer Druckversorgung P und dem zweiten Steuer ventil 40 geschaltet ist. Das dritte Steuerventil 50 ist bevorzugt als 2/2- Wege-Druckwaage ausgestaltet und in seiner gezeigten Neutralstellung wird mit seiner Zulaufsteuerblende 52 der Zulauf zwischen einer Druck versorgung P und dem zweiten Steuerventil 40 gesteuert. In der anderen Stellung dieser Druckwaage 50 ist der dahingehende Zulauf gesperrt.

Auf seiner der Zulaufsteuerblende 52 zugewandten Steuerseite greift ein Loadsensing-Druck LS an, der der Verbindungsleitung 48 zwischen dem ersten 20 und dem zweiten 40 Steuerventil entnommen ist. Auf seiner der Sperrsteilung zugewandten Steuerseite liegt ein Steuerdruck an, der einer Verbindungsleitung 54 zwischen dem zweiten 40 und dem dritten Steuerventil 50 entnommen ist. Mithin ist der Ausgang des dritten Steu- erventiles 50 über die Leitung 54 auf die Eingangsseite des zweiten Steuerventils 40 permanent fluidführend angeschlossen. Auf der Seite, wo der Loadsensing-Druck LS an der Steuerseite des dritten Ventiles 50 angreift, wird der dahingehende Angriff von einer Druckfeder am dritten Steuerventil 50 mit unterstützt. Der von der Verbindungsleitung 48 stammende Loadsensing-Druck LS kann über einen Anknüpfungspunkt 56 an weitere Ventilsektionen (nicht dargestellt) im Bedarfsfall weiterge leitet werden. Ferner steht der Loadsensing-Druck LS an einer Schnitt stelle 58 der Ventileinheit 60, bestehend aus erstem, zweiten und drit tem Steuerventil 20, 40 und 50 zur Verfügung. Mit einem dahingehen den Loadsensing-Druck LS lässt sich beispielsweise eine der Druckver sorgung P dienende Schwenkwinkelpumpe 62 ansteuern, die jedoch im vorliegenden gezeigten Fall von der zentralen Steuereinheit ECU aus schließlich elektrisch angesteuert wird. Die gezeigte Steuer- oder Rechnereinheit ECU kann, wie mit Pfeilen dar gestellt, eingangsseitig Bedienbefehle entgegennehmen und ausgangs seitig noch weitere, nicht näher dargestellte Ventilsektionen mit ansteu ern. Mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist eine Auflösung von

Steuerkanten über ein erstes Steuerventil 20 und ein zweites Steuerven til 40 realisiert, wobei das erste Steuerventil 20 die jeweiligen Rücklauf steuerblenden 26 und 36 für die Ansteuerung des Rücklaufes aus dem Verbraucher 10 aufweist und das zweite Steuerventil 40 weist die Zu- laufsteuerblende 42 für die Ansteuerung des Zulaufs zum ersten Steuer ventil 20 und mithin zum Verbraucher 10 auf. Ein drittes Steuerventil 50 innerhalb der Ventileinheit 60, die insoweit als Ganzes tauschbar und auch als Nachrüstsatz zur Verfügung steht, ist in der Art einer Druck waage ausgebildet, und erlaubt insgesamt eine Zulaufvolumenstromre gelung für den Verbraucher 10.