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Dokumentenidentifikation DE4115691A1 21.11.1991
Titel Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen in Hydraulikanlagen
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Merz, Johann, 7070 Schwäbisch Gmünd, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.1991
DE-Aktenzeichen 4115691
Offenlegungstag 21.11.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.11.1991
IPC-Hauptklasse F15B 1/00
IPC-Nebenklasse F15B 11/00   F15B 21/00   B62D 6/02   
Zusammenfassung In einer Zulaufleitung (3), die eine Hochdruckpumpe (1) mit einem Verbraucher (Hilfskraftlenkung 4, 5, 6) verbindet, ist ein als Drosselventil ausgeführtes Dämpfungsglied (7) eingesetzt. Das Dämpfungsglied (7) steht mit einem elektronischen Schaltgerät (10) in Verbindung. In das Schaltgerät ist ein Grenzwert für die höchstzulässige Druckschwingung eingegeben. Vor und gegebenenfalls hinter dem Dämpfungsglied (7) sitzen ein an die Zulaufleitung (3) angeschlossener erster und ein zweiter Drucksensor (11 und 12), die gleichfalls mit dem Schaltgerät (10) verbunden sind. Die von der Pumpe (1) ausgehenden Druckschwingungen lassen sich dadurch dämpfen, daß der erste Drucksensor (11) eine zu hohe Druckschwingung dem Schaltgerät (10) signalisiert, das daraufhin den Strömungsquerschnitt durch das Dämpfungsglied (7) so verengt, daß eine entgegengerichtete Druckwelle ausgelöst wird. Bleiben die Druckschwankungen unterhalb des eingestellten Grenzwerts, dann vergrößert das Dämpfungsglied (7) den Strömungsquerschnitt der Zulaufleitung (3). Der zweite Drucksensor (12) kontrolliert den Ölstrom hinter dem Dämpfungsglied (7) und regelt gegebenenfalls nach (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen in Hydraulikanlagen, die mit einer Hochdruckpumpe und einer an einen Verbraucher angeschlossenen Zulaufleitung arbeiten.

Es ist bekannt, daß in Radialkolbenpumpen die durch einen Exzenter nacheinander betätigten Förderkolben und ihre zugehörigen Auslaßventile für einen hohen Ungleichförmigkeitsgrad des Verbraucherzulaufstromes verantwortlich sind. Auch in Flügelzellenpumpen treten trotz der größeren Anzahl der dort verwendeten Arbeitsschieber (Flügel) in abgeschwächtem Maße noch Ungleichförmigkeiten im Zulaufstrom auf. Auf diese Weise entstehen Druckpulsationen, die je nach Pumpenbauart mehr oder weniger zur Geräuschentwicklung beitragen. Außerdem können die Druckpulsationen im Verbraucher stören, da sich diese, insbesondere bei Radialkolbenpumpen, beispielsweise in Hilfskraftlenkungen, als sogenanntes "Kribbeln" im Lenkhandrad bemerkbar machen. Man hat aus diesem Grunde schon eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, die dazu dienen, das Entstehen dieser Druckpulsationen entweder zu unterdrücken oder wenigstens abzuschwächen. So ist allgemein bekannt, einen Druckspeicher zwischen die Pumpe und dem Verbraucher einzubauen. Ein Druckspeicher läßt sich aber mit vertretbarem Aufwand nur in Fahrzeuge mit einer Zentralhydraulik einsetzen. Ebenso sieht man häufig zwischen Pumpe und Verbraucher Dehnschläuche vor. Diese Maßnahmen sind geeignet, Druckschwingungen in einem gewissen Bereich zu dämpfen. Ein völlig pulsationsfreier Zulaufstrom läßt sich mit diesen Methoden jedoch nicht erreichen.

Eine weitere Einrichtung zur Dämpfung von in Radialkolbenpumpen entstehenden Druckschwingungen ist aus der DE-PS 28 24 239 bekannt. Man hat in dieser Pumpe einen an die Auslaßventile angeschlossenen und mit dem Verbraucher verbundenen Sammelraum so vergrößert, daß er die Wirkung eines Schwingungtilgers hat.

Auch mit dieser Lösung lassen sich Druckschwingungen und Geräusche nur teilweise unterdrücken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gegen Druckschwankungen in derartigen Hydraulikanlagen eingesetzten Maßnahmen mit vertretbarem Aufwand weiter zu senken.

Nach der Erfindung läßt sich diese Aufgabe durch den Anspruch 1 lösen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4 und 6. Der nebengeordnete Anspruch 5 betrifft eine weitere zweckmäßige Ausführungsform.

Nach Anspruch 1 ist in eine von einer Hochdruckpumpe zu einem Verbraucher geführte Zulaufleitung zwischen einem ersten und wahlweise einem zweiten Drucksensor ein Dämpfungsglied eingesetzt. Die Drucksensoren und das Dämpfungsglied stehen über Steuerleitungen mit einem elektronischen Schaltgerät in Verbindung. Hierbei ermittelt der unmittelbar hinter der Pumpe eingebaute erste Drucksensor die Druckschwingungen in der Zulaufleitung und gibt ein entsprechendes Signal an das Schaltgerät ab. Das Schaltgerät verarbeitet das Signal und steuert das Dämpfungsglied an. Bei einem Schwingungsberg verkleinert das Dämpfungsglied den wirksamen Querschnitt der Zulaufleitung und erzeugt einen Staudruck, der eine ankommende Druckwelle glättet. Auf diese Weise läßt sich die Schwingungsenergie abbauen. Bei einem Schwingungstal vergrößert hingegen das Dämpfungsglied den Leitungsquerschnitt, so daß die Druckverluste klein bleiben. Ein in der Zulaufleitung hinter dem Dämpfungsglied angeordneter zweiter Drucksensor hat die Funktion einer Rückmeldung und kann gegebenenfalls über das Schaltgerät korrigierend in den Regelvorgang eingreifen. Diesen zweiten Drucksensor kann man unter Verzicht auf eine Nachkorrektur auch einsparen. Ein in Flügelzellenpumpen meist vorhandenes Stromteilventil, zum Abregeln der mit der Drehzahl steigenden Fördermenge, eignet sich hierbei vorteilhaft zur Bypass-Regelung des den Schwingungsberg bewirkenden Ölstromanteils.

Nach Anspruch 2 läßt sich die Regeleinrichtung auch in Verbindung mit einer von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen Lenkung verwenden, indem man zusätzlich ein Tachometersignal in das Steuergerät eingibt, welches das Dämpfungsglied entsprechend beeinflußt.

Nach den Ansprüchen 3 und 4 sieht man als Dämpfungsglied zweckmäßig ein preisgünstiges Drosselventil oder eine kleine Kolbenpumpe vor, wobei letztere in der Zulaufleitung überlagernde Druckschwingungen erzeugt.

Die Ausführung nach Anspruch 5 enthält anstelle von Drucksensoren einen an der Pumpenantriebswelle angeordneten Drehwinkel- oder Drehzahlsensor. Das Signal des Drehzahlsensors wird im elektronischen Schaltgerät verarbeitet, das drehzahlabhängig den Phasenwinkel zur Ansteuerung des Dämpfungsgliedes verändert. Diese Anordnung benötigt weniger Bauteile.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung, die mit zwei Drucksensoren und einem als Drosselventil ausgeführten Dämpfungsglied arbeitet;

Fig. 2 eine Anordnung mit zwei Drucksensoren- und einem als kleine Kolbenpumpe ausgeführten Dämpfungsglied und

Fig. 3 eine Anordnung mit einem Drehwinkel- oder Drehzahlsensor und einem Drosselventil.

In Fig. 1 fördert eine Hochdruckpumpe 1 Drucköl aus einem Tank 2 über eine Zulaufleitung 3, beispielsweise zu einer aus einem Lenkventil 4, einem Lenkhandrad 5 und einem Servomotor 6 bestehenden Hilfskraftlenkung. Das Lenkventil 5 läßt sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Lenkhandrades 5 in den beiden Lenkrichtungen verstellen. In der Zulaufleitung 3 sitzt ein als Drosselventil ausgeführtes Dämpfungsglied 7. Das Dämpfungsglied 7 kann als elektromagnetisch betätigbares, gestuftes oder konisches Nadelventil ausgeführt sein, welches in eine den Verbraucherstrom führende Steueröffnung eintaucht und den Durchströmquerschnitt verändert. Das Dämpfungsglied 7 steht über eine elektrische Steuerleitung 8 mit einem elektronischen Schaltgerät 10 in Verbindung. Weiterhin schließt an die Zulaufleitung 3 vor und gegebenenfalls hinter dem Dämpfungsglied 7 ein erster 11 bzw. ein zweiter Drucksensor 12 an. Die beiden Drucksensoren 11, 12 weisen zum Schaltgerät 10 führende elektrische Steuerleitungen 13 bzw. 14 auf. Bei geringeren Ansprüchen an die Dämpfungswirkung reicht auch der erste Drucksensor 11 alleine aus.

Die Zulaufleitung 3 hat außerdem Verbindung mit einem an sich bekannten Stromteilventil 15. Auf die Vorderseite eines Kolbens 16 wirkt der Druck vor dem Dämpfungsglied 7 ein, während der Druck stromabwärts des Dämpfungsgliedes 7 eine federbelastete Rückseite des Kolbens 16 beaufschlagt. Durch den am Dämpfungsglied 7 entstehenden Differenzdruck läßt sich, vorzugsweise in Flügelzellenpumpen, mit steigender Pumpendrehzahl ein Teil des Förderstromes über die Vorderseite des Kolbens 16 zum Tank 2 abregeln.

Im Schaltgerät 10 ist ein bestimmter Grenzwert für die zulässige Druckschwankung eingegeben. Stellt der erste Drucksensor 11 eine zu hohe Druckschwankung fest, so erhält das Schaltgerät 10 ein Signal, das daraufhin das Dämpfungsglied 7 veranlaßt, den Durchtrittsquerschnitt der Zulaufleitung 3 weiter zu schließen. Dadurch entsteht ein höherer Staudruck, der die ankommende Druckwelle glättet.

Liegen die Druckwellen unterhalb des in das Schaltgerät 10 eingegebenen Grenzwertes, dann öffnet das Dämpfungsglied 7 einen größeren Zulaufquerschnitt. Der hinter dem Dämpfungsglied 7 angeordnete zweite Drucksensor 12 kontrolliert den beruhigten Ölstrom und regelt gegebenenfalls über das Schaltgerät 10 nach.

Nimmt man an, daß sich der Strömungsquerschnitt am Dämpfungsglied 7 verringert, dann steigt der Druck auf der Vorderseite des Kolbens 16 geringfügig an. Dadurch öffnet dieser eine Rücklaufleitung, und es kann ein Teilstrom zum Tank 2 abfließen. Auf diese Weise läßt sich zum Abbau des Druckstaus vorteilhaft das ohnehin vorhandene Stromteilventil 15 mit einsetzen. Der Differenzdruck an der Drossel bleibt dabei weitgehend gleich.

Die Einrichtung nach Fig. 1 läßt sich auch mit einer geschwindigkeitsabhängigen Stromregelung kombinieren, wie diese z. B. aus der internationalen Veröffentlichung WO 89/10 289 bekannt ist. In diesem Falle erhält das Schaltgerät 10 von einem strichpunktiert angedeuteten Tachometer 9 ein fahrgeschwindigkeitsabhängiges Steuersignal. Mit steigender Fahrgeschwindigkeit regelt das Schaltgerät 10 den Durchflußquerschnitt durch das Dämpfungsglied 7 immer stärker ab, so daß der Servomotor 6 über das Lenkventil 4 weniger Drucköl erhält. Die überschlssige Ölmenge kann, wie bereits erwähnt, durch den an der Vorderseite des Kolbens 16 wirkenden Differenzdruck zum Tank 2 abfließen. Geht man davon aus, daß im Dämpfungsglied 7 ein elektromagnetisch betätigtes Nadelventil eingebaut ist, so überlagern sich an diesem zwei Bewegungen. Zu der stellungsunabhängigen Dämpfungsbewegung des Nadelventils zur Beruhigung des Ölstromes kommt noch die Abregelbewegung zur Verringerung des Durchtrittsquerschnitts hinzu.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wurde aus Vereinfachungsgründen die Hilfskraftlenkung 4, 5, 6 und das Stromteilventil 15 fortgelassen. Als Dämpfungsglied 17 ist hier eine kleine Kolbenpumpe vorgesehen, die in Abhängigkeit von den Drucksensoren 11 und 12 in der Zulaufleitung 3 den Druckschwingungen der Pumpe 1 entgegengerichtete Druckwellen erzeugt. Diese Druckwellen überlagern die Druckschwingungen und glätten diese in der bereits beschriebenen Weise. Auch hier reicht bei geringeren Ansprüchen bereits ein Drucksensor, den man vorzugsweise vor dem Dämpfungsglied 17 einbaut.

In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, in die Zulaufleitung 3 vor das Dämpfungsglied 7 bzw. 17 einen mit einer kleinen Volumenaufnahme ausgestatteten Hydrospeicher einzusetzen (nicht dargestellt). Dieser Hydrospeicher kann dann kurzzeitig einen hohen von der Pumpe gelieferten Ölstrom speichern. Ein Hydrospeicher läßt sich auch in Verbindung mit Radialkolbenpumpen verwenden, die in der Regel ohne ein Stromteilventil 15 auskommen, da sich Radialkolbenpumpen mit steigender Drehzahl selbst abregeln. Der beim Glätten der Druckschwingungen entstehende Ölstau läßt sich dann im Druckspeicher aufnehmen.

Nach Fig. 3 ist es ohne weiteres auch möglich, anstelle der Signale der beiden Drucksensoren 11 und 12 der Fig. 1, Signale eines an einer Pumpenantriebswelle 18 angeordneten Drehwinkel- oder Drehzahlsensors 20 zum Steuern des elektronischen Schaltgeräts 10 zu verwenden. Zu diesem Zweck führt vom Drehzahlsensor 20 eine Steuerleitung 21 zum Schaltgerät. Durch das Schaltgerät 10 läßt sich in Abhängigkeit von der Drehzahl der Phasenwinkel für die Ansteuerung des Dämpfungsgliedes 7 bzw. 17 verändern.

Bezugszeichen

1 Hochdruckpumpe

2 Tank

3 Zulaufleitung

4 Lenkventil

5 Lenkhandrad

6 Servomotor

7 Dämpfungsglied (Drosselventil)

8 Steuerleitung

9 -

10 elektronisches Schaltgerät

11 erster Drucksensor

12 zweiter Drucksensor

13 Steuerleitung

14 Steuerleitung

15 Stromteilventil

16 Kolben

17 Dämpfungsglied (kleine Kolbenpumpe)

18 Pumpenantriebswelle

19 -

20 Drehzahlsensor

21 Steuerleitung


Anspruch[de]
  1. 1. Regeleinrichtung zur Dämpfung von Schwingungen in Hydraulikanlagen mit einer Hochdruckpumpe und mit einer an einen Verbraucher angeschlossenen Zulaufleitung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. - in die Zulaufleitung (3) ist ein Dämpfungsglied (7, 17) eingesetzt;
    2. - die Zulaufleitung (3) enthält vor und wahlweise hinter dem Dämpfungsglied einen Drucksensor (11 bzw. 12) und
    3. - die Drucksensoren (11 bzw. 12) und das Dämpfungsglied (7; 17) stehen über Steuerleitungen (11, 12; 8) mit einem elektronischen Schaltgerät (10) in Verbindung (Fig. 1 und 2).
  2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (10) mit einem Tachometer (9) verbunden ist, so daß die Lenkeinrichtung (4, 5, 6) in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit ansteuerbar ist (Fig. 1).
  3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsglied (7) ein Drosselventil vorgesehen ist (Fig. 1).
  4. 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Dämpfungsglied (17) eine kleine Kolbenpumpe verwendet (Fig. 2).
  5. 5. Regeleinrichtung zur Dämpfung von Schwingungen in Hydraulikanlagen, mit einer Hochdruckpumpe und mit einer an einen Verbraucher angeschlossenen Zulaufleitung gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. - in die Zulaufleitung (3) ist ein Dämpfungsglied (7) eingesetzt;
    2. - ein auf einer Pumpenantriebswelle (18) angeordneter Drehzahlsensor (20) steht über eine Steuerleitung (21) mit einem Schaltgerät (10) und dieses über eine Steuerleitung (8) mit dem Dämpfungsglied (7) in Verbindung,
    3. - wobei das Schaltgerät (10) mit einem drehzahlabhängig veränderten Phasenwinkel das Dämpfungsglied (7) ansteuert (Fig. 3).
  6. 6. Regeleinrichtung nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Dämpfung entstehende Überschußöl über ein Stromteilventil (15) zum Tank (2) abgeleitet wird (Fig. 1 bis 3).






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