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DE102020107032A1 - Hydraulikventilmodul zur sicheren Abschaltung bei Ausfall einer externen Stromversorgung und Verfahren zum Betrieb eines Hydraulikventils - Google Patents

Hydraulikventilmodul zur sicheren Abschaltung bei Ausfall einer externen Stromversorgung und Verfahren zum Betrieb eines Hydraulikventils Download PDF

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DE102020107032A1
DE102020107032A1 DE102020107032.2A DE102020107032A DE102020107032A1 DE 102020107032 A1 DE102020107032 A1 DE 102020107032A1 DE 102020107032 A DE102020107032 A DE 102020107032A DE 102020107032 A1 DE102020107032 A1 DE 102020107032A1
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DE
Germany
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hydraulic
hydraulic valve
electrical energy
valve
valve module
Prior art date
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Application number
DE102020107032.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Gerd Salah
Steffen Hartmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bucher Hydraulics GmbH
Original Assignee
Bucher Hydraulics GmbH
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Publication date
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Priority to BR112022018053A priority patent/BR112022018053A2/pt
Priority to CA3171448A priority patent/CA3171448A1/en
Priority to EP21709918.3A priority patent/EP4118343A1/de
Priority to US17/910,954 priority patent/US12044328B2/en
Priority to PCT/EP2021/055101 priority patent/WO2021180508A1/de
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydraulikventilmodul (1) aufweisend mindestens ein Hydraulikventil (4) mit einem Ventilschieber (5), der mit einem elektrischen Aktor (3) verstellbar ist, um Hydraulikleitungen (22) durch das Hydraulikventil (4) mit Hydraulikflüssigkeit zu versorgen, wobei das Hydraulikventilmodul (1) eine Steuerung (14, 15, 19) und einen elektrischen Energiespeicher (8, 10, 12) aufweist, wobei die Steuerung (14, 15, 19) und der elektrische Energiespeicher (8, 10, 12) dazu eingerichtet sind, den Ventilschieber (5) mit dem elektrischen Aktor (3) und in dem elektrischen Energiespeicher (8, 10, 12) gespeicherter Energie aus jeder möglichen Ventilschieberposition in eine Abschaltposition (36) zu bringen. Dies erlaubt den sicheren Betrieb von Hydraulikventilen ohne Rückstellfeder, wobei solche Ventile und deren Aktoren kleiner und kostengünstiger gebaut werden können als bei herkömmlichen Ventilen mit Rückstellfeder.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft den sicheren und ökonomischen Betrieb von Hydraulikventilen auch unter rauen Betriebsbedingungen. Hydraulikventile werden unter anderem bei Baumaschinen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen und im Bergbau eingesetzt. Insbesondere bei solchen Anwendungen kommt es darauf an, dass die Hydraulikventile sehr robust gegen äußere Einflüsse, insbesondere auch Erschütterungen, sind und in allen Betriebssituationen eine sichere Einstellung gewünschter Ventilstellungen möglich ist.
  • Typische Hydraulikventile für die obigen Anwendungen weisen einen Ventilschieber auf, der von einem Motor, auch Aktor genannt, bewegt wird. So kann der Ventilschieber in unterschiedliche Positionen gebracht werden, wodurch Hydraulikleitungen nach Bedarf (teilweise) geöffnet oder verschlossen werden können. Solche Aktoren und Hydraulikventile sind beispielsweise in der EP 3 121 485 A1 oder der US 2008/0121830 A1 beschrieben. Nach dem Stand der Technik ist es üblich, dass der Ventilschieber mittels mindestens einer Rückstellfeder in eine Ruheposition gebracht bzw. in dieser gehalten wird, wenn der Antrieb nicht aktiv ist. Dies ist z. B. in der EP 3 483 454 A1 beschrieben. Dadurch wird eine sichere Abschaltung eines solchen Hydraulikventils insbesondere auch bei einem Ausfall einer Stromversorgung gewährleistet. Bei einer geeigneten Einbindung des Hydraulikventils in die Ansteuerung eines gesteuerten Bewegungselements (Baggerschaufel, Gabel eines Traktors etc.) kann durch eine sichere Abschaltung des Hydraulikventils auch ein sicherer Betrieb des gesteuerten Bewegungselementes gewährleistet werden.
  • Die beschriebene Rückstellfeder bringt aber auch Nachteile mit sich. Einerseits ist es ein zusätzliches Bauteil, welches die Kosten des Ventils erhöht und zusätzlichen Bauraum benötigt, was für manche Anwendungen besonders ungünstig ist. Außerdem muss der Aktor nicht nur für eine Bewegung der Ventilstange gegen übliche Reibung ausgelegt sein, sondern auch die Federkraft der Rückstellfeder überwinden. Dies erfordert einen entsprechend starken Motor, was insgesamt zu entsprechenden Energieverlusten beim Betrieb führen kann. Grundsätzlich muss auch der gesamte Antrieb der Ventilstange einschließlich eventueller Getriebe so ausgelegt sein, dass die Rückstellfeder den Motor bewegen kann.
  • Hiervon ausgehend soll die vorliegende Erfindung ein Hydraulikventilmodul und ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Hydraulikventils schaffen, die ohne Rückstellfeder auskommen und dadurch einen Teil der beschriebenen Nachteile vermeiden, ohne dass die Sicherheit darunter leidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgaben dienen ein Hydraulikventilmodul gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und das beschriebene Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Auch umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das beschriebene Hydraulikventilmodul die beschriebenen Verfahren ausführt.
  • Ein erfindungsgemäßes Hydraulikventilmodul weist mindestens ein Hydraulikventil mit einem Ventilschieber auf, wobei der Ventilschieber mit einem elektrischen Aktor verstellbar ist, um Hydraulikleitungen durch das Hydraulikventil für Hydraulikflüssigkeit zu versorgen, wobei das Hydraulikventilmodul eine Steuerung und eine mit einem elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die Steuerung und der elektrische Energiespeicher dazu eingerichtet sind, den Ventilschieber mit dem elektrischen Aktor und in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherter Energie aus jeder möglichen Ventilschieberposition in eine Abschaltposition zu bringen.
  • Ein Hydraulikventilmodul umfasst mindestens ein und gegebenenfalls mehrere Hydraulikventile, die ggf. in einer Reihe hintereinander in einem Ventilblock angeordnet sind. Das Hydraulikventilmodul umfasst vorzugsweise weiter für jedes Hydraulikventil einen separat ansteuerbaren elektrischen Aktor mit welchem das jeweilige Hydraulikventil bzw. die Hydraulikleitungen des jeweiligen Hydraulikventils gezielt (entsprechend den Anforderungen einer übergeordneten Steuerung) mit Hydraulikflüssigkeit versorgt werden können (das heißt gezielt geöffnet, geschlossen bzw. teilweise geöffnet und/oder geschlossen werden können).
  • Das Hydraulikventilmodul weist insbesondere auch die Steuerung des elektrischen Aktors und den elektrischen Energiespeicher auf, die im Folgenden im Detail beschrieben werden. Der elektrische Energiespeicher und die Steuerung bilden Bestandteile des Hydraulikventilmoduls und sind als solche bevorzugt unmittelbar an den weiteren Komponenten des Hydraulikventilmoduls (an dem mindestens einen Hydraulikventil, an dem elektrischen Aktor etc.) angeordnet und bevorzugt auch mit diesen weiteren Komponenten verbunden. Die Steuerung und der elektrische Energiespeicher können beispielsweise mit dem elektrischen Aktor und/oder dem Hydraulikventil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und/oder in einem Gehäuse, welches an dem elektrischen Aktor und/oder dem Hydraulikventil angebracht (bspw. angeschraubt) ist.
  • Als Hydraulikflüssigkeit kommen in solchen Hydraulikventilen insbesondere Öle zum Einsatz.
  • Hydraulikleitungen sind üblicherweise als Kanäle innerhalb eines Ventilblocks des Hydraulikventils ausgeführt. Der Ventilschieber ist innerhalb eines Kanals in dem Ventilblock angeordnet und der Ventilschieber hat bevorzugt Flüssigkeitssteuerstrukturen, die mit Hydraulikleitungen derart zusammenwirken, dass je nach Stellung des Ventilschiebers die Hydraulikleitungen gezielt mit Hydraulikflüssigkeit versorgt werden. Das heißt, dass Hydraulikleitungen entweder geöffnet oder geschlossen (gegebenenfalls auch teilweise geöffnet oder geschlossen) werden.
  • Der Ventilschieber ist üblicherweise ein entlang einer Achse verschiebbarer Schieber und mit einer Ventilschieberposition und der Abschaltposition sind jeweils Stellungen des Ventilschiebers entlang der Achse gemeint, wobei der Begriff „Ventilschieberposition“ hier eine beliebige Position meint, während der Begriff „Abschaltposition“ hier eine ganz bestimmte (fest) definierte Position beschreibt. „Jede mögliche Ventilschieberposition“ ist jede mögliche Stellung, die der Ventilschieber in einem Bewegungsbereich zwischen maximalen ausgelenkten Positionen des Ventilschiebers einnehmen kann. Die Abschaltposition befindet sich bevorzugt mittig innerhalb des Bewegungsbereichs bzw. beabstandet zu maximal ausgelenkten Positionen des Ventilschiebers, so dass der Ventilschieber ausgehend von der Abschaltposition in beide Richtungen bewegt werden kann, um nach einer Abschaltung das Hydraulikventil schnell wieder in Betrieb nehmen zu können.
  • Der elektrische Aktor umfasst insbesondere einen Schrittmotor mit welchem die Position des Ventilschiebers verstellbar ist, um Hydraulikleitungen durch das Hydraulikventil mit Hydraulikflüssigkeit zu versorgen.
  • Der elektrische Aktor kann aber auch andere Arten von elektrischen Antriebsmotoren umfassen. Grundsätzlich sind vor allem bürstenlose Motoren (BLC-Motoren, BLC = brushless contact) für den elektrischen Aktor geeignet zu denen auch die Schrittmotoren zählen. Es sind aber auch andere Arten von elektrischen Antriebsmotoren in dem elektrischen Aktor einsetzbar. Grundsätzlich ist es allerdings auch vorteilhaft, wenn in dem elektrischen Aktor ein elektrischer Antriebsmotor verwendet wird, mit welchem bestimmte Positionen eines beweglichen Elementes des Motors durch die Bestromung des Motors einstellbar sind. Besonders bevorzugt werden Motoren verwendet, bei denen diese Einstellbarkeit der Position auch ohne zusätzliche Positionssensorik und Positionsregelung möglich ist. Dies gilt insbesondere für die genannten Schrittmotoren.
  • Bevorzugt ist der elektrische Antriebsmotor des Aktors ein Rotationsmotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor über ein Getriebe den Ventilschieber betätigt. Das Getriebe umfasst in bevorzugten Ausführungsformen eine Zahnstange zur Umsetzung einer Rotation des Antriebsmotors in eine lineare Bewegung des Ventilschiebers.
  • In anderen Ausführungsvarianten kann der elektrische Antriebsmotor auch ein Linearmotor sein, der direkt eine lineare Bewegung erzeugt, die besonders bevorzugt durch eine starre Verbindung auf den Ventilschieber übertragen wird.
  • Die Steuerung ist insbesondere ein Steuergerät in welchem Programm hinterlegt ist, gemäß welchem die Bewegung des Ventilschiebers aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition ausgeführt werden kann. Dieses Programm ist in einem Datenspeicher der Steuerung bevorzugt fest hinterlegt.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung als Notsteuerung und der elektrische Energiespeicher als Notstromversorgung ausgeführt und dazu eingerichtet sind, für mindestens eine Notabschaltung elektrische Energie bereitzustellen, wenn in einer externen Stromversorgung des Hydraulikventilmoduls ein Fehler festgestellt wird, wobei die Notabschaltung dazu eingerichtet ist den Ventilschieber aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition zu bringen.
  • Der elektrische Energiespeicher weist mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle auf in welcher die eigentliche Speicherung der elektrischen Energie stattfindet. Zusätzlich kann der elektrische Energiespeicher weitere Komponenten umfassen. Dies sind bevorzugt Komponenten, die die Einspeisung von elektrischer Energie in den Energiespeicher und/oder die Abgabe von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher kontrollieren. Beispielsweise kann ein Ladesteuergerät zur Steuerung der Ladung und der Entladung der elektrischen Energiespeicherzelle eine weitere Komponente des elektrischen Energiespeicher sein.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn in dem mindestens einen Hydraulikventilmodul keine mechanische Rückstellfeder angeordnet ist, mit der der Ventilschieber passiv in eine Abschaltposition bringbar ist.
  • Es erfolgt also besonders bevorzugt keine von einer Feder angetriebene Bewegung des Ventilschiebers in dem Fall, dass eine Stromversorgung des Hydraulikventilmoduls ausfällt.
  • Das kann insbesondere bedeuten, dass der Aktor kleiner oder schwächer als bei gleichartigen Ventilen mit Rückstellfeder ausgelegt ist (wodurch er auch weniger Energie für gleiche Schaltvorgänge verbraucht). Das kann auch bedeuten, dass selbsthemmende Getriebe, z. B. Schneckengetriebe in den Aktoren/Motoren der Hydraulikventile eingesetzt werden können.
  • Die Steuerung bzw. die Notsteuerung und der Energiespeicher bzw. die Notstromversorgung sind insbesondere dazu eingerichtet ist, eine Notabschaltung ohne Unterstützung durch eine Rückstellfeder auszuführen.
  • Die Abschaltposition des Ventilschiebers ist insbesondere eine Position, in welcher alle Hydraulikleitungen durch das Hydraulikventil geschlossen sind. Eine Notabschaltung erfolgt insbesondere, wenn in einer externen Stromversorgung des Hydraulikventilmoduls ein Fehler festgestellt wird. Unter einer externen Stromversorgung werden hier alle Bauteile einschließlich elektrischer Leitungen zur Versorgung des Hydraulikventils mit elektrischer Energie verstanden, die außerhalb des Hydraulikventilmoduls liegen. Ein Ausfall kann also durch defekte Komponenten oder Leitungen auftreten. Gerade Leitungen und deren Verbindungen außerhalb des Hydraulikventilmoduls sind im Alltagsbetrieb gefährdet. Während nach dem Stand der Technik mindestens eine Rückstellfeder dafür sorgte, dass bei einem Stromausfall das Ventil in eine sichere Abschaltposition gebracht wurde, wird erfindungsgemäß dafür der Aktor bzw. Motor eingesetzt, was jedoch eine bestimmte Mindestenergie erfordert, die nunmehr von dem elektrischen Energiespeicher ständig bereitgehalten wird. Die Steuerung nutzt diese Energie, um den gewünschten Abschaltvorgang mittels des Aktors durchzuführen. Auf Grund der immer vorhandenen Reibung, die gegebenenfalls durch geeignete Dämpfungsmittel auch erhöht werden kann, bleibt das Ventil dann in diesem sicheren Zustand, auch bei betriebsüblichen Erschütterungen. Um Störungen zwischen dem elektrischen Energiespeicher, der Steuerung und dem Aktor möglichst auszuschließen, sind diese Bauteile räumlich sehr nahe beieinander angeordnet. Dies kommt auch durch den Begriff „Hydraulikventilmodul“ zum Ausdruck, welcher eine kompakte miteinander integrierte Bauweise einer Gruppe von Hydraulikventilen, zugehörigen Aktoren und den weiteren vorgesehenen Komponenten (Steuerung, elektrischer Energiespeicher etc.) beschreibt. Eine solche Bauweise wird hier auch als Modulbauweise bezeichnet. Das Modul ist bevorzugt am Stück austauschbar in eine größere Maschine (Traktor, Bagger etc.) integriert und möglichst auch in einem gemeinsamen schützenden Gehäuse untergebracht, wie weiter oben schon erläutert wurde.
  • Die Abschaltposition ist darüber hinaus bevorzugt zugleich auch eine Kalibrierposition, welche mit dem Ventilschieber zur Kalibrierung angesteuert wird bzw. ansteuerbar ist. Beim Betrieb derartiger Hydraulikventile kann der Fall auftreten, dass durch Schlupf im Aktor/Motor eine Kalibrierung verloren geht und in einer Steuerung die aktuelle Position des Ventilschiebers nicht exakt bekannt ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn in dem Aktor/Motor ein Schrittmotor eingesetzt wird, bei dem auch ein Schrittverlust auftreten kann. In einer solchen Situation, in der die Kalibrierung verloren gegangen ist, kann dann der Ventilschieber gezielt in die Kalibrierposition gebracht werden, damit die Position des Ventilschiebers in der Steuerung anschließend wieder bekannt ist.
  • Bevorzugt weist gemäß der Erfindung der Ventilschieber eine Positionsmarkierung auf, die das Auffinden der Abschaltposition und/oder eine Kalibrierung der Position des Ventilschiebers ermöglicht. Bei Ventilschiebern mit Rückstellfeder ist eine solche Positionsmarkierung nicht vorhanden und auch nur begrenzt vorteilhaft, weil die vorhandene Rückstellfeder dazu verwendet wird den Ventilschieber (passiv) zurück in eine Abschaltposition zu bringen, wenn eine aktuelle Position des Ventilschiebers nicht korrekt erkennbar ist. Ohne eine Rückstellfeder und eine solche Vorgehensweise kann es vorteilhaft sein ein anderes Verfahren bzw. andere Mittel zu verwenden, um die Abschaltposition zu erkennen. Es hat sich herausgestellt, dass eine Positionsmarkierung an dem Ventilschieber hierfür sehr vorteilhaft ist. Anhand der Positionsmarkierung kann das Vorliegen der Abschaltposition des Ventilschiebers erkannt werden. In bevorzugten Ausführungsvarianten kann die Positionsmarkierung mit der Steuerung und dem Aktor anhand einer Anomalie in der Weg-Kraft-Beziehung bzw. der Kraftverlauf der Bewegung des Ventilschiebers erkannt werden. Es sind Positionsmarkierungen möglich, die mit entsprechenden (zusätzlichen) Sensoren und/oder Schaltern erkannt bzw. abgetastet werden. Es sind magnetische, kapazitive oder optische Sensoren einsetzbar.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine mechanische Positionsmarkierung, insbesondere in Form einer Nut (an dem Ventilschieber) angebracht ist. Mittels einer Einrastfeder, die in der Abschaltposition in die Nut einrastet, kann dann ein mechanischer Widerstand geschaffen werden, der sich am Aktor bzw. von der Steuerung feststellen lässt, so dass nur der Energieverbrauch bzw. der zur Bewegung notwendige elektrische Strom am Aktor zur Feststellung der Abschaltposition beobachtet werden muss. Wenn die Abschaltposition zugleich eine Kalibrierposition ist, kann ein ganz ähnliches Verfahren zum Kalibrieren eingesetzt werden wie bisher bei einer Rückstellfeder an dem Ventilschieber. Wenn Die Nut für die Einrastfeder ein geringes Spiel lässt (und gegebenenfalls auch schräge Flanken von Nut oder Einrastfeder vorliegen) kann durch Hin- und Herfahren des Ventilschiebers bis zu einem definierten Kraftanstieg die Mitte der Positionsmarkierung ermittelt werden.
  • Die Positionsmarkierung kann auch für eine Einschaltprozedur des Hydraulikventilmoduls verwendet werden. Bevorzugt werden bei jedem Einschaltvorgang eine ausgehend von der Positionsmarkierung bzw. ausgehend von der Kalibrierposition maximal ausgelenkte Position nach rechts (bzw. vom Antrieb weg) und nach links (bzw. zum Antrieb hin) angefahren. Eine maximal ausgelenkte Position kann ebenfalls anhand einer charakteristischen Eigenschaft der Weg-Kraft-Beziehung bzw. der Kraftverlauf der Bewegung des Ventilschiebers erkannt werden, wobei diese Erkennung bevorzugt ebenfalls mit dem Aktor und der Steuerung stattfindet. Eine Erhöhung der Kraft bzw. des Stroms, der zur Bewegung des Aktors notwendig ist, steigt üblicherweise nach außen (rechts/links) an. Durch einen Schwellwert für diese Kraft bzw. diesen Strom kann die Außenposition definiert sein. Die Einschaltprozedur kann in der Steuerung hinterlegt sein. Bevorzugt ist die Steuerung so eingerichtet, dass eine einwandfreie Funktion des Hydraulikventilmoduls gemeldet wird, wenn die Einschaltprozedur für alle Hydraulikventile des Hydraulikventilmoduls wie erwartet durchlaufen wurde.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gehören zu einem Hydraulikventilmodul eine Mehrzahl von Hydraulikventilen und ein gemeinsamer elektrischer Energiespeicher, wobei der elektrische Energiespeicher dazu ausgelegt ist mehrere Ventilschieber aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition zu bringen.
  • Bevorzugt ist der elektrische Energiespeicher so ausgelegt, dass die Ventilschiebers jedes Hydraulikventils in dem Hydraulikventilmodul aus jeder beliebigen Position in die (jeweils vorgesehene) Abschaltposition gebraucht werden können. Hiermit ist gemeint, dass auch in dem Fall, dass alle Ventilschieber sich in einer Position befinden, aus welcher der Energieaufwand die Ventilschieber zurück in die Abschaltposition zu bringen jeweils maximal ist, die in dem elektrischen Energiespeicher verfügbare Energie trotzdem ausreicht, um alle Ventilschieber des Hydraulikventilmoduls zurück in die Abschaltposition zu bringen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aktoren der verschiedenen Hydraulikventile und der elektrische Energiespeicher über einen Einschaltstrombegrenzer an die externe Stromversorgung angeschlossen sind, so dass sie nacheinander angeschaltet werden können.
  • Bei bisher bekannten Ventilblöcken mit mehreren Hydraulikventilen und deren Aktoren, werden beim Einschalten sehr hohe Ströme benötigt, weil alle Aktoren gleichzeitig hochgefahren werden. Solche Stromstärken treten beim Betrieb später nicht mehr auf. Der Einschaltstrombegrenzer ist bevorzugt dazu eingerichtet Ansteuerbefehle an die Aktoren der Hydraulikventile so zu modifizieren, dass diese derart versetzt zueinander ausgeführt werden, dass summierte Einschaltströme der Aktoren der Hydraulikventile des Hydraulikventilmoduls unter einen (vorgegebenen oder vorgebbaren) Grenzwert begrenzt sind. Bei einem Einschaltstrombegrenzer für mehrere Aktoren können die Aktoren beispielsweise nacheinander zugeschaltet werden, was den gesamten Einschaltvorgang nur unwesentlich verzögert, jedoch den Strom auch beim Einschalten auf den Einschaltstrom nur eines Aktors zuzüglich der regulären Betriebsströme der weiteren Aktoren begrenzt. Der hier beschriebene Einschaltstrombegrenzer kann insbesondere auch als Einschaltverzögerer oder Einschaltverzögerung bezeichnet werden. Durch den Einschaltstrombegrenzer können weitere Elektroinstallationen zur Versorgung des Hydraulikventilmoduls mit elektrischer Leistung erheblich kleiner ausgelegt werden.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst der elektrische Energiespeicher mindestens einen von der externen Stromversorgung aufladbare elektrische Energiespeicherzelle.
  • Diese aufladbare elektrische Energiespeicherzelle wird sofort nach Beginn des Betriebes des Hydraulikventilmoduls mit funktionierender externer Stromversorgung aufgeladen, so dass sie während des Betriebes nach einer sehr kurzen Startphase praktisch immer geladen zur Verfügung steht, um die Ventilschieber in die vorgesehene Abschaltposition zu bringen, bzw. die Notabschaltung durchzuführen. Die aufladbare elektrische Energiespeicherzelle kann auch genügend groß für eine Mehrzahl von entsprechenden Ventilschieberbewegungen (Notabschaltungen) ausgelegt sein, so dass sie auch nach einer Mehrzahl von entsprechenden Ventilschieberbewegungen (Notabschaltungen) sofort wieder zur Verfügung steht, wenn der Betrieb wieder aufgenommen wird.
  • Grundsätzlich hängt es von wirtschaftlichen und technischen Überlegungen ab, welche Art von elektrischer Energiespeicherzelle eingesetzt wird. Ziel ist es natürlich, die durch Wegfall einer Rückstellfeder erreichten Kostenvorteile nicht durch eine kostenintensive elektrische Energiespeicherzelle wieder zu verlieren. Eine bevorzugte Möglichkeit ist, dass die elektrische Energiespeicherzelle mindestens einen Kondensator und/oder einen Akkumulator umfasst.
  • Allerdings kann alternativ auch eine (nicht wieder aufladbare) Batterie eingesetzt werden, wenn Kosten/Nutzen-Überlegungen ergeben, dass dies für einen Anwendungsfall günstiger ist. Dies wird besonders der Fall sein, wenn entsprechende Ventilschieberbewegungen/Notabschaltungen sehr selten vorkommen und ein Auswechseln der Batterie in bestimmten Zeitintervallen (z. B. bei Wartungsarbeiten) akzeptabel ist.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind in dem Hydraulikventilmodul die Steuerung und der elektrische Energiespeicher in einem Vorsteuergerät angeordnet und/oder die Steuerung und der elektrische Energiespeicher sind Teil des Vorsteuergerätes. Dabei ist das Vorsteuergerät insbesondere ein Vorsteuergerät des mindestens einen elektrischen Aktors. An das Vorsteuergerät ist die externe Stromversorgung des Hydraulikventilmoduls angeschlossen bzw. die Aktoren sind über das Vorsteuergerät an die externe Stromversorgung des Hydraulikventilmoduls angeschlossen. Dieses Vorsteuergerät, welches auch noch andere Komponenten enthalten kann, versorgt den Aktor immer mit der notwendigen Energie und Steuerbefehlen. Im ungestörten Betrieb ist es im Ergebnis praktisch ein passives Gerät, welches Strom und Steuerbefehle durchleitet, bei Störungen der externen Stromversorgung wird es aber zum aktiven Gerät und liefert Energie und Steuerbefehle für eine Notabschaltung.
  • Der weiter oben schon beschriebene Einschaltstrombegrenzer ist bevorzugt ebenfalls Teil dieses Vorsteuergerät und dieser ist damit ebenfalls zwischen die Aktoren und die externe Stromversorgung geschaltet.
  • Das hier beschriebene Vorsteuergerät ist insbesondere ein (gemeinsames) Vorsteuergerät für alle Hydraulikventile in dem Hydraulikventilmodul. Die beschriebenen Komponenten (Steuerung, elektrischer Energiespeicher etc.) sind wie ausgeführt bevorzugt in dem Hydraulikventilmodul zentral für mehrere (bevorzugt für alle) Hydraulikventile des Hydraulikventilmoduls vorhanden. Es sind aber auch Ausführungsvarianten möglich, bei welchem diese Komponenten (ggf. ebenfalls in Form eines Vorsteuergerätes) für jedes Hydraulikventil einzeln vorhanden sind. Gegebenenfalls können diese Komponenten jeweils innerhalb des Aktors des jeweiligen Hydraulikventils mit angeordnet sein.
  • Das Vorsteuergerät kann insbesondere eine Schutzbeschaltung und/oder weitere (andere) gemeinsame Komponenten für mehrere Hydraulikventile aufweisen, so dass diese nicht für jeden Aktor einzeln vorhanden sein müssen. So kann ein Controller im Vorsteuergerät Funktionen für mehrere Ventile übernehmen, beispielsweise die Integrität der jeweiligen Signalübermittlung prüfen, den Einschaltstrom begrenzen, den Ausfall der externen Stromversorgung feststellen und Notabschaltungen einleiten.
  • Bevorzugt weist das Vorsteuergerät mindestens einen Sensor auf, mit welchem die externe Stromversorgung überwachbar ist, wobei die Steuerung in dem Vorsteuergerät dazu eingerichtet ist, eine Notabschaltung durchzuführen, wenn mit dem Sensor ein Fehler der externen Stromversorgung erkannt wird. Ein Fehler kann z. B. der Ausfall, eine zu starke Schwankung oder auch eine Überspannung der externen Stromversorgung sein. Die Art der externen Stromversorgung kann unabhängig von der Erfindung gewählt und ausgestaltet werden.
  • Gegebenenfalls ist es wünschenswert, eine Notabschaltung nur in seltenen Fällen durchführen zu müssen. Insbesondere unter Belastung der Notstromversorgung bzw. des Energiespeichers sollte eine Notabschaltung nur in seltenen Fällen durchgeführt werden. Deshalb können und sollten zusätzlich alle Möglichkeiten zur Sicherstellung einer externen Stromversorgung beim Betrieb in einem Fahrzeug ausgeschöpft werden, was auch bedeuten kann, dass das Vorsteuergerät sowohl mit dem Zündungsplus als auch mit dem Dauerplus (Anschluss an Batterie) des Fahrzeuges verbunden werden kann, damit eine Notabschaltung mit Hilfe der Fahrzeugbatterie durchgeführt werden kann, falls der Sensor eine unerwartete Abschaltung des Fahrzeuges feststellt, während noch Aktoren in Arbeitsstellung sind. In diesem Fall schaltet das Vorsteuergerät weiter die externe Stromversorgung von der Fahrzeugbatterie durch, sendet aber Signale zur Notabschaltung an jeden Aktor.
  • Durch die Verwendung eines Vorsteuergeräts für mehrere Hydraulikventile in einem Hydraulikventilmodul wird es auch möglich signal- und stromführende Leitungen zu schleifen. Besonders bevorzugt sind einzelne Hydraulikventile in dem Hydraulikventil durch eine Reihenschaltung miteinander verbunden. wobei jedes Hydraulikventil bzw. jeder Aktor eines Hydraulikventils mit den benachbarten Hydraulikventilen bzw. dessen Aktor verbunden ist. Dabei haben Hydraulikventile am Anfang einer Reihenschaltung oder am Ende einer Reihenschaltung üblicherweise ein benachbartes Hydraulikventil und Hydraulikventile innerhalb der Reihe der Reihenschaltung zwei benachbarte Hydraulikventile. Das Vorsteuergerät ist dann bevorzugt nur mit einem ersten Hydraulikventil und/oder mit einem letzten Hydraulikventil der Reihenschaltung verbunden. Die Signale und der Strom für weitere Hydraulikventile der Reihenschaltung werden durch die Verbindungen der Hydraulikventile/Aktoren miteinander bis zum jeweils betroffenen Hydraulikventil/Aktor durchgeleitet bzw. durchgeschleift.
  • Ein weiterer Vorteil des Vorsteuergerätes ist, dass eine elektrische Sicherheitsbeschaltung, eine Strombegrenzung (Inrush-Limiter), ein Verpolungsschutz, eine Spannungsaufbereitung (Hochsetzsteller) nur in dem Vorsteuergerät vorgesehen sein müssen und in den einzelnen Aktoren die eine sehr viel weniger umfangreiche Ansteuerungselektronik vorhanden sein kann. Gegebenenfalls kann durch die Verwendung eines derartigen Vorsteuergerätes sogar komplett auf eine Ansteuerungselektronik der einzelnen Aktoren und der darin angeordneten elektrischen Antriebsmotoren verzichtet werden kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Hydraulikventils ohne mechanische Rückstellfeder, wobei ein Ventilschieber in dem Hydraulikventil (bevorzugt ausschließlich) von einem elektrischen Ventilantrieb bewegt und in vorgebbaren Positionen gehalten wird, wobei weiter bei Feststellung eines Fehlers in einer externen Stromversorgung automatisch auf einen elektrischen Energiespeicher umgeschaltet und der Ventilschieber in eine sichere vorgebbare Abschaltposition bewegt wird.
  • Das beschriebene Verfahren wird bevorzugt mit einem oben beschriebenen Hydraulikventilmodul durchgeführt, wobei die wesentlichen Verfahrensschritte (Feststellung des Fehlers und automatische Umschaltung von der externen Stromversorgung auf den elektrischen Energiespeicher) in der Steuerung des Hydraulikventilmoduls durchgeführt werden.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich auch ohne Rückstellfeder eine inhärente Sicherheit gewährleisten. Es ist sogar möglich, je nach Zustand des Ventils bei Auftreten einer Störung unterschiedliche Positionen als Abschaltposition vorzugeben oder noch einen Vorgang zu Ende zu führen.
  • Bevorzugt wird der elektrische Energiespeicher im Pufferbetrieb von der externen Stromversorgung aufgeladen und beim Normalbetrieb des Hydraulikventils für eine Notabschaltung bereitgehalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Feststellung der Abschaltposition oder eine Kalibrierung der Position des Ventilschiebers mittels einer Positionsmarkierung auf dem Ventilschieber, insbesondere mittels einer Nut, in die eine Feder einrastet, so dass der dadurch entstehende Kraftverlauf vom Aktor aus gemessen werden kann. Die Feder ist bevorzugt ortsfest an dem Aktor bzw. einem Gehäuse des Aktors angeordnet. Bei einer Verschiebung des Ventilschiebers tritt eine Interkation zwischen der Positionsmarkierung und der Feder auf, welche den beschriebenen Kraftverlauf hervorruft. Die Positionsmarkierung wird von dem Aktor bevorzugt anhand einer Anomalie im Kraftverlauf erkannt.
  • Die Positionsmarkierung ist auch zur Kalibrierung besonders hilfreich, wenn der Aktor bei einer Bewegung einen sogenannten Schrittverlust feststellt. Dieser Vorgang wird beispielsweise in der EP 3 142 244 A1 beschrieben. Bei Vorhandensein einer Rückstellfeder kann bei einem Schrittverlust die Abschaltposition leicht erreicht werden, in dem der Aktor deaktiviert wird und sich durch die wirkende Federkraft die Abschaltposition von selbst einstellt. Bei der hier beschriebenen ausführungsvariante wird die Positionsmarkierung die Kalibrierung möglich. Dann wenn ein Schrittverlust festgestellt wurde, kann die Abschaltposition zur Kalibrierung gezielt angefahren und anhand der Positionsmarkierung erkannt werden.
  • Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, enthält das Hydraulikventilmodul im Allgemeinen einen Mikroprozessor, der Signale des Sensors auswertet, den Pufferbetrieb regelt, Steuersignale weiterleitet oder selbst bei einer Notabschaltung generiert. Daher gehört zur Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, welche Befehle umfasst, die bewirken, dass das beschriebene Hydraulikventilmodul die beschriebenen Verfahren durchführt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf welches diese jedoch nicht beschränkt ist, wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren nur schematisch sind, und die Prinzipien der hier behandelten Erfindung erläutern sollen. Einzelne beschriebene Merkmale oder Funktionen des Ausführungsbeispiels können auch in anderer als der dargestellten Weise sinnvoll im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden. Es zeigen
    • 1a einen schematischen Querschnitt durch ein einzelnes Hydraulikventil eines Hydraulikventilmoduls bei einer ausgelenkten Position des Ventilschiebers,
    • 1b einen schematischen Querschnitt durch ein einzelnes Hydraulikventil eines Hydraulikventilmoduls bei einer Position des Ventilschiebers in der Abschaltposition,
    • 2 schematisch ein erfindungsgemäßes Hydraulikventilmodul mit seinen Anschlüssen,
    • 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Vorsteuergerät mit seinen Komponenten und Anschlüssen,
    • 4a schematisch eine erste Darstellung eines Ventilschiebers mit Positionsmarkierung und Einrastelement,
    • 4b schematisch eine zweite Darstellung eines Ventilschiebers mit Positionsmarkierung und Einrastelement,
    • 4c schematisch eine dritte Darstellung eines Ventilschiebers mit Positionsmarkierung und Einrastelement,
    • 5a schematisch eine erste Darstellung eines Ventilschiebers mit einer weiteren Art der Positionsmarkierung,
    • 5b schematisch eine zweite Darstellung eines Ventilschiebers mit einer weiteren Art der Positionsmarkierung
    • 5c schematisch eine dritte Darstellung eines Ventilschiebers mit einer weiteren Art der Positionsmarkierung
  • 1a und 1b zeigen schematisch den Querschnitt durch ein Hydraulikventil 4 mit dem Aktor 3, wobei dieses Hydraulikventil 4 Bestandteil des hier beschriebenen Hydraulikventilmoduls 1 ist. Die 1a und 1b zeigen einen Schnitt durch ein solches Hydraulikventilmodul 1, welcher durch eines der Hydraulikventile 4 verläuft. Das Hydraulikventil 4 hat einen Ventilblock 28. Dieser Ventilblock 28 kann auch ein gemeinsamer Block sein, in welchem (hintereinander) mehrere Hydraulikventile 4 angeordnet sind. Das Hydraulikventil 4 umfasst jeweils Hydraulikleitungen 22, die beispielsweise als Bohrungen in dem Ventilblock 28 ausgeführt sein können. In dem Ventilblock 28 ist auch eine Steuerbohrung 29 vorgesehen, in welcher ein Ventilschieber 5 angeordnet ist. An dem Ventilschieber 5 existieren Steuerstrukturen 30, welche je nach Position 31 des Ventilschiebers unterschiedlich mit den Hydraulikleitungen 22 zusammenwirken und diese gezielt mit Hydraulikflüssigkeit versorgen bzw. wahlweise, öffnen, verschließen und/oder teilweise öffnen oder und/oder teilweise verschließen können. Die Position 31 des Ventilschiebers 5 kann mit dem Motor/Aktor 3 eingestellt werden. Der Motor/Aktor 3 ist in üblichen Ausführungsvarianten mit einem Elektromotor 32 und einem Getriebe 33 ausgeführt, über welches der Elektromotor 32 ein Zahnrad 35 antreibt, welches auf eine mit dem Ventilschieber 5 verbundene Zahnstange 34 wirkt. In der Schnittdarstellung gemäß den 1a und 1b ist das Zahnrad 35 hinter der Zahnstange 34 angeordnet und durch die Zahnstange 34 verdeckt. Über die Zahnstange 34 kann mit dem Motor/Aktor 3 dann die aktuelle Position 31 des Ventilschiebers 5 eingestellt werden. 1a zeigt beispielhaft eine Position 31 des Ventilschiebers bei welcher eine der Hydraulikleitungen 22 in dem Ventilblock 28 mit einer Versorgungsleitung 37 verbunden ist, um diese Hydraulikleitung 22 mit Hydrauliköl zu versorgen. Bevorzugt hat der Ventilschieber 5 eine vorgesehene Abschaltposition 36, welche besonders bevorzugt durch eine Positionsmarkierung 26 an dem Ventilschieber 5 realisiert ist. Die Positionsmarkierung 26 ist insbesondere so ausgeführt, dass diese mit einer Feder 27 interagiert, wenn der Ventilschieber sich in der Abschaltposition befindet. Diese Situation ist in 1b dargestellt. Eine solche Positionsmarkierung 26 wird nachfolgend anhand der 4a bis 4c sowie 5a bis 5c noch detaillierter erläutert. Schematisch dargestellt sind in der 1 auch der elektrische Energiespeicher 10 und die Steuerung 19. In dem elektrischen Energiespeicher 10 wird elektrische Energie gespeichert, die dazu ausreicht den Ventilschieber 5 aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition (1b) zu bringen. Die Durchführung einer solchen Abschaltung (ggf. auch Notabschaltung) wird von der Steuerung 19 gesteuert.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Hydraulikventilmodul 1 mit in diesem Beispiel vier Hydraulikventilen 4, denen jeweils ein Aktor 3 zugeordnet ist, welcher dazu eingerichtet ist den hier nicht dargestellten Ventilschieber des jeweiligen Hydraulikventils 4 zu bewegen. Die Aktoren 3 sind über elektrische Leitungen 2 mit einem Vorsteuergerät 20 verbunden, welches ihnen Energie und Steuersignale liefert. Das Vorsteuergerät 20 wird im Normalbetrieb über eine externe Stromversorgung 21 mit Strom versorgt. Die Steuerung 19 und der elektrische Energiespeicher 10 sind hier in dem Vorsteuergerät 20 angeordnet. Eine Datenzuleitung 16 liefert Signale für die Steuerung der Ventile 4, die wiederum Hydraulikleitungen 22 entsprechend mit Hydraulikflüssigkeit versorgen. Zur Orientierung ist in der 2 die Schnittrichtung A-A dargestellt. Die Darstellung der 1a und 1b zeigen einen derartigen Schnitt durch das Hydraulikventilmodul 1.
  • 3 zeigt schematisch und mit weiteren Details den Aufbau eines beschriebenen Vorsteuergerätes 20 (wie es in 2 bereits dargestellt ist) mit seinen unterschiedlichen Komponenten. Das Vorsteuergerät 20 ist eingangsseitig mit einer externen Stromversorgung 21 und Datenleitungen 16 zur Versorgung und Steuerung von Aktoren 3 verbunden. Ausgangsseitig gehen eine Aktorstromleitung 2 und eine Datenweiterleitung 17 von dem Vorsteuergerät 20 ab. Bei passivem Betrieb des Vorsteuergerätes 20 werden Strom und Signale einfach durchgeleitet. Allerdings überwacht ein Sensor 14 die Integrität der externen Stromversorgung 21 und leitet seine Messsignale über eine Sensorleitung 15 an die Steuerung 19 weiter. Bei Normalbetrieb wird außerdem der elektrische Energiespeicher 10 über eine Ladeschaltung 9 aufgeladen, so dass der Energiespeicher 10 kurz nach jedem Betriebsbeginn immer vollgeladen ist, aber nicht überladen wird. Der elektrische Energiespeicher kann als elektrische Energiespeicherzeile mindestens einen Akkumulator 24 und/oder mindestens einen Kondensator 23 enthalten. Alternativ kann allerdings, wie in der 3 angedeutet, auch eine nicht wieder aufladbare Batterie 25 als Energiespeicherzelle mit einem Batteriemanagement 13 eingesetzt werden, wobei dann die Ladeschaltung 9 entfällt. Ein Spannungswandler 12 dient dazu, eine konstante Spannung bei unterschiedlichen Spannungs- oder Ladezuständen des elektrischen Energiespeichers 10 aufrecht zu erhalten. Dies kann durch einen Einschaltstrombegrenzer 8 unterstützt werden, so dass keine zu hohen Einschaltströme auftreten. Die Steuerung 19 ist über Signalleitungen 18 mit allen Komponenten verbunden, so dass diese bevorzugt alle Abläufe, die in dem Vorsteuergerät 20 auftreten, steuern kann.
  • Wenn der Sensor 14 der Steuerung 19 eine Störung der externen Stromversorgung 21 meldet, schaltet die Steuerung 19 mittels eines Umschalters 7 von externer Stromversorgung 21 auf eine Stromversorgung mittels des elektrischen Energiespeichers 10. Alle Aktoren 3 werden nun aus dem elektrischen Energiespeicher 10 mit Strom versorgt. Gleichzeitig unterbricht die Steuerung 19 die Datenzuleitung 16 und sendet Signale, um die Ventilschieber in die Abschaltposition zu bringen bzw. für eine Notabschaltung über die Datenweiterleitung 17. Eine optionale Schutzbeschaltung 6 verhindert Störungen dieses Vorganges durch die externe Stromversorgung 21. Eine Notabschaltung kann aber beispielsweise auch ausgelöst werden, wenn es Unterbrechungen in der Datenzuleitung 16 oder an anderer Stelle in einer Datenkommunikation gibt. Dann wird allerdings der elektrische Energiespeicher bzw. die Notstromversorgung nicht benötigt.
  • Bei einer Wiederinbetriebnahme nach einer Notabschaltung wird der elektrische Energiespeicher 10 (falls er entladen ist) schnell wieder aufgeladen, so dass ein sicherer Betrieb wieder möglich ist. Das Vorsteuergerät 20 kann noch weitere Funktionen übernehmen, beispielsweise die regelmäßige Überprüfung aller Daten- und Signalleitungen und des Energiespeichers. Beispielhafte Berechnungen für typische Hydraulikventile und Aktoren nach dem Stand der Technik ergeben, dass der Energiespeicher für jedes Ventil und jede Notabschaltung mindestens ca. 4 Ws [Watt x Sekunde] gespeichert haben sollte. Die Kapazität des elektrischen Energiespeichers 10 kann daher nach der Zahl der angeschlossenen Ventile und der Anzahl der gewünschten durchführbaren Notabschaltungen berechnet und natürlich mit einem Aufschlag zur Sicherheit und zur Berücksichtigung einer Alterung des Energiespeichers versehen werden. Ein bei der Zuschaltung des Energiespeichers 10 erfolgender Spannungsabfall kann durch den Spannungswandler 12 kompensiert werden. Im Ergebnis sollte eine erfindungsgemäße Notstromversorgung einen Energiespeicher 10 von mindestens 12 Ws haben, was für die gewünschte Betriebsspannung, insbesondere 12 V [Volt], durch Zusammenschaltung sogenannter Superkondensatoren und/oder von Akkumulator-Zellen (z. B. Lithium-Ionen-Akkus) erreicht werden kann. Die Kosten und anderen technischen Eigenschaften dieser Bauteile entscheiden über den besten Weg zur Energiespeicherung bei jedem Anwendungsfall.
  • 4a bis 4c zeigen einen Ventilschieber 5 mit einer Positionsmarkierung 26 in Form einer Nut 26, in die ein Einrastelement 27 einrasten kann, wobei das Einrastelement 27 hier in Form eines Federbügels ausgeführt ist. Das Einrastelement 27 und die Nut 26 sind so geformt und angeordnet, dass genau in der Abschaltposition, die bei jedem Ventiltyp an anderer Stelle liegen kann, das Einrastelement 27 in die Nut 26 einrastet, was sich beim Aktor 3 bemerkbar macht, weil ein Widerstand überwunden werden muss, um das Einrastelement 27 wieder aus der Nut 26 zu schieben. Diesen Widerstand und seinen Ort kann man messen, und zwar in beiden Richtungen, so dass die genaue Position auf diese Weise bestimmt werden kann. In 4a Ist die Situation dargestellt, wenn die Feder 27 in die in Form einer Nut 26 ausgeführte Positionsmarkierung 26 eingreift, wenn der Ventilschieber 5 sich in der Abschaltposition befindet. 4b zeigt den Fall, dass der Ventilschieber 5 sich nicht in der Abschaltposition befindet. Dann ist die Feder 27 aufgespreizt. 4c zeigt den Fall aus 4a (Ventilschieber 5 in Abschaltposition) nochmal in einer anderen Perspektive, um das Zusammenwirken von Feder 27 und Positionsmarkierung bzw. Nut 26 zu verdeutlichen.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die hier dargestellte Art einer Positionsmarkierung 26 selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen ist. Bevorzugt ist, dass die Positionsmarkierung 26 für den Aktor/Motor 3 spürbar ist und so von der Elektronik bzw. der Steuerung des Motors erkannt werden kann, ohne dass hierfür weitere Sensoren erforderlich sind. Hierdurch kann mit dem Aktor/Motor 3 auch zur Kalibrierung des Hydraulikventils immer die Abschaltposition angefahren werden, die bevorzugt gleichzeitig auch eine Kalibrierposition ist.
  • In den 5a bis 5c ist eine weitere Variante der Positionsmarkierung dargestellt. Zu erkennen ist hier, jeweils ein Ventilschieber 5 mit einer Zahnstange 34 mit welcher der Ventilschieber 5 verschoben werden kann. Die 5a zeigt den Ventilschieber 5 mit der Zahnstange 34 in einer Ansicht zusammen mit Teilen des Aktors und insbesondere mit einem Getriebe 33 des Aktors. In den 5b und 5c ist der Ventilschieber 5 mit der Zahnstange 34 jeweils in seitlicher Ansicht (5b) und in Draufsicht (5c) dargestellt. An dem Ventilschieber 5 ist seitlich ein Höhenprofil 39 vorgesehen, an welchem ein federbelasteter Schalter 38 anliegt. Der Schalter 38 wird an das Höhenprofil 39 heran gedrückt und anhand des Höhenprofils ergibt sich je nach Stellung des Ventilschiebers 5 eine bestimmte Position des Schalters 38. Die Positionsmarkierung 26 anhand derer die Abschaltposition 36 erkennbar ist, wird beispielsweise durch zwei ansteigende Flanken 40 gebildet und kann anhand dieser ansteigenden Flanken 40 erkannt werden Besonders bevorzugt ist eine Profilhöhe 41 auf beiden Seiten der Abschaltposition 36 unterschiedlich, so dass anhand der Stellung des Schalters 38 erkannt werden kann in welche Richtung der Ventilschieber 5 ausgefahren ist.
  • Der Schalter 38 ist bevorzug mit der Steuerung verbunden, so dass die mit dem Schalter 38 gewinnbare Information über die Position des Ventilschiebers 5 berücksichtigt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt den sicheren Betrieb von Hydraulikventilen ohne Rückstellfeder, wobei solche Ventile und deren Aktoren kleiner und kostengünstiger gebaut werden können als bei herkömmlichen Ventilen mit Rückstellfeder.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Hydraulikventilmodul
    2
    Aktorstromleitung
    3
    Motor, Aktor
    4
    Hydraulikventil
    5
    Ventilschieber
    6
    Schutzbeschaltung
    7
    Umschalter
    8
    Einschaltstrombegrenzer
    9
    Ladeschaltung
    10
    Stromspeicher, Energiespeicher
    11
    Statusleitung
    12
    Spannungswandler
    13
    Batteriemanagement
    14
    Sensor
    15
    Sensorleitung
    16
    Datenzuleitung
    17
    Datenweiterleitung
    18
    Signalleitungen
    19
    Steuerung
    20
    Vorsteuergerät
    21
    Externe Stromversorgung
    22
    Hydraulikleitungen
    23
    Kondensator
    24
    Akkumulator
    25
    Batterie
    26
    Positionsmarkierung, Nut
    27
    Rastelement, Einrastfeder
    28
    Ventillock
    29
    Steuerbohrung
    30
    Steuerstrukturen
    31
    Position
    32
    Elektromotor
    33
    Getriebe
    34
    Zahnstange
    35
    Zahnrad
    36
    Abschaltposition
    37
    Versorgungskanal
    38
    Schalter
    39
    Höhenprofil
    40
    ansteigende Flanke
    41
    Profilhöhe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3121485 A1 [0002]
    • US 2008/0121830 A1 [0002]
    • EP 3483454 A1 [0002]
    • EP 3142244 A1 [0049]

Claims (16)

  1. Hydraulikventilmodul (1) aufweisend mindestens ein Hydraulikventil (4) mit einem Ventilschieber (5), wobei der Ventilschieber (5) mit einem elektrischen Aktor (3) verstellbar ist, um Hydraulikleitungen (22) durch das Hydraulikventil (4) mit Hydraulikflüssigkeit zu versorgen, wobei das Hydraulikventilmodul (1) eine Steuerung (19) und einen elektrischen Energiespeicher (10) aufweist, wobei die Steuerung (19) und der elektrische Energiespeicher (10) dazu eingerichtet sind, den Ventilschieber (5) mit dem elektrischen Aktor (3) und in dem elektrischen Energiespeicher (10) gespeicherter Energie aus jeder möglichen Ventilschieberposition in eine Abschaltposition (36) zu bringen.
  2. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (14, 15, 19) als Notsteuerung und der elektrische Energiespeicher (10) als Notstromversorgung ausgeführt und dazu eingerichtet sind, für mindestens eine Notabschaltung elektrische Energie bereitzustellen, wenn in einer externen Stromversorgung (21) des Hydraulikventilmoduls (1) ein Fehler festgestellt wird, wobei die Notabschaltung dazu eingerichtet ist den Ventilschieber (5) aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition (36) zu bringen.
  3. Hydraulikventilmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem mindestens einen Hydraulikventilmodul (1) keine mechanische Rückstellfeder angeordnet ist, mit der der Ventilschieber (5) passiv in eine Abschaltposition (36) bringbar ist.
  4. Hydraulikventilmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilschieber (5) eine Positionsmarkierung (26) aufweist, die das Auffinden der Abschaltposition (36) und/oder eine Kalibrierung der Position des Ventilschiebers ermöglicht.
  5. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 4, wobei die Positionsmarkierung (26) eine Nut ist, in die ein Rastelement (27) einrasten kann.
  6. Hydraulikventilmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Hydraulikventilen (4) und ein gemeinsamer elektrischer Energiespeicher (10) zu dem Hydraulikventilmodul (1) gehören und der elektrische Energiespeicher (10) dazu ausgelegt ist mehrere Ventilschieber (5) aus jeder möglichen Ventilschieberposition in die Abschaltposition (36) zu bringen.
  7. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 6, wobei die Aktoren (3) der verschiedenen Hydraulikventile (4) und der elektrische Energiespeicher (10) über einen Einschaltstrombegrenzer (8) an die externe Stromversorgung (21) angeschlossen sind, so dass sie nacheinander angeschaltet werden können.
  8. Hydraulikventilmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Energiespeicher (10) mindestens einen von der externen Stromversorgung (21) aufladbare elektrische Energiespeicherzelle (23,24,25) umfasst.
  9. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 8, wobei die elektrische Energiespeicherzelle mindestens einen Kondensator (23) und/oder einen Akkumulator (24) umfasst.
  10. Hydraulikventilmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die elektrische Energiespeicherzelle eine Batterie (25) umfasst.
  11. Hydraulikventilmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (19) und der elektrische Energiespeicher (10) in einem Vorsteuergerät (20) des mindestens einen elektrischen Aktors (3) angeordnet sind, an welches die externe Stromversorgung (21) des Hydraulikventilmoduls (1) angeschlossen ist.
  12. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 11, wobei das Vorsteuergerät (20) eine Schutzbeschaltung (6) und/oder andere gemeinsame Komponenten für mehrere Hydraulikventile (4) aufweist.
  13. Hydraulikventilmodul (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Vorsteuergerät (20) mindestens einen Sensor (14) aufweist, mit welchem die externe Stromversorgung (21) überwachbar ist und die Steuerung (19) in dem Vorsteuergerät (20) dazu eingerichtet ist, eine Notabschaltung durchzuführen, wenn mit dem Sensor (14) ein Fehler der externen Stromversorgung (21) erkannt wird.
  14. Verfahren zum sicheren Betrieb eines Hydraulikventils (1) ohne mechanische Rückstellfeder, wobei ein Ventilschieber (5) in dem Hydraulikventil (4) von einem elektrischen Aktor (3) bewegt und in vorgebbaren Positionen gehalten wird, wobei weiter bei Feststellung eines Fehlers in einer externen Stromversorgung (21) automatisch auf einen elektrischen Energiespeicher (10) des Hydraulikventilmoduls umgeschaltet und der Ventilschieber (5) in eine sichere vorgebbare Abschaltposition (36) bewegt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei eine Feststellung der Abschaltposition (36) mittels einer Positionsmarkierung (26) auf dem Ventilschieber (5) erfolgt.
  16. Computerprogrammprodukt aufweisend Befehle, die bewirken, dass ein Hydraulikventilmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12 das Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 ausführt.
DE102020107032.2A 2020-03-13 2020-03-13 Hydraulikventilmodul zur sicheren Abschaltung bei Ausfall einer externen Stromversorgung und Verfahren zum Betrieb eines Hydraulikventils Pending DE102020107032A1 (de)

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