DE112019003034T5

DE112019003034T5 - Hydraulikkreis

Info

Publication number: DE112019003034T5
Application number: DE112019003034.5T
Authority: DE
Inventors: Matteo Stefani; Nicola Francesco Musciagna; Alessandro SASSI; Lorenzo Serrao
Original assignee: Dana Italia SRL
Current assignee: Dana Italia SRL
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-03-11
Also published as: CN112368482B; EP3597934A1; WO2019238946A1; US20210254642A1; CN112368482A; US11339811B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Hydraulikkreis (100), umfassend: eine hydraulische Verdrängungseinheit (1) zum Antreiben eines Geräts; eine hydraulische Maschine (9), die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die hydraulische Maschine (9) eine feste hydraulische Verdrängung aufweist; eine elektrische Maschine (7), die mit der hydraulischen Maschine (9) antriebsmäßig in Eingriff steht oder selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird; eine Hydraulikpumpe (10), die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die Hydraulikpumpe (10) eine variable hydraulische Verdrängung aufweist; und einen Elektromotor (8), der mit der Hydraulikpumpe (10) antriebsmäßig in Eingriff steht oder mit dieser selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie Hydraulikkreise, insbesondere elektrisch angesteuerte Hydraulikkreise. Hydraulikkreise der hier vorgeschlagenen Art können zum Antreiben hydraulischer Geräte, beispielsweise an Arbeitsmaschinen oder Arbeitsfahrzeugen, wie etwa Teleskoplader, Ladern, Kippern, Gabelstaplern, Zugmaschinen oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Bekannte Arbeitsmaschinen oder Arbeitsfahrzeuge sind typischerweise mit einem oder mehreren hydraulisch angetriebenen Geräten, wie etwa Hydraulikpumpen, Hydraulikmotoren oder Hydraulikzylindern, ausgestattet. Zum Beispiel kann ein Lader mit Ausleger mindestens einen Hydraulikzylinder zum Heben und Senken eines Auslegers aufweisen. In der Praxis können hydraulische Geräte an einer Arbeitsmaschine zum Versetzen von Lasten mit einem großen Bereich unterschiedlicher Gewichte verwendet werden. Ferner können die hydraulischen Geräte einer Arbeitsmaschine unter Verwendung eines großen Bereichs unterschiedlicher Förderströme betrieben werden. Außerdem kann ihr Betrieb situationsabhängig variierende Genauigkeitsgrade erfordern. In all diesen Fällen sollten die hydraulischen Geräte vorzugsweise auf energiesparende Weise betrieben werden.
Somit besteht das Problem, das die vorliegende Offenbarung lösen soll, im Entwerfen eines Hydraulikkreises, der einen hydraulischen Stellantrieb oder eine hydraulische Verdrängungseinheit einschließt und der einen Betrieb des hydraulischen Stellantriebs auf vorzugsweise effiziente Weise in einer vorzugsweise großen Zahl von Situationen ermöglicht.
Dieses Problem wird von einem Hydraulikkreis gemäß Anspruch 1 gelöst. Spezielle Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der hier vorgeschlagene Hydraulikkreis umfasst:

eine hydraulische Verdrängungseinheit zum Antreiben eines Geräts;
eine hydraulische Maschine, die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die hydraulische Maschine eine feste hydraulische Verdrängung aufweist;
eine elektrische Maschine, die antriebsmäßig mit der hydraulischen Maschine in Eingriff steht oder selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird;
eine Hydraulikpumpe, die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die Hydraulikpumpe eine variable hydraulische Verdrängung aufweist; und
einen Elektromotor, der antriebsmäßig mit der Hydraulikpumpe in Eingriff steht oder selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird.

Pumpen mit fester Verdrängung bzw. Konstantpumpen arbeiten typischerweise bei hohen Drehzahlen und hohen Förderströmen auf effiziente und zuverlässige Weise. Jedoch kann der Förderstrom, der von einer Konstantpumpe bei niedrigen Drehzahlen bereitgestellt wird, oft nicht mit einem ausreichend hohen Grad an Präzision reguliert werden, was zu Ineffizienz führen kann. Der hier vorgeschlagene Hydraulikkreis soll diese Nachteile überwinden durch Bereitstellen einer hydraulischen Verdrängungseinheit, wie etwa eines Hydraulikzylinders oder eines Hydraulikmotors, der sowohl mit einer hydraulischen Maschine mit fester Verdrängung bzw. einer Konstantmaschine als auch mit einer Pumpe mit variabler Verdrängung bzw. Verstellpumpe verbunden werden kann, wobei die Konstantmaschine und die Verstellpumpe von getrennten Leistungsquellen angetrieben werden können, beispielsweise von einer elektrischen Maschine bzw. einem Elektromotor. Bei niedrigen Förderströmen können hydraulische Verstellpumpen typischerweise genauer und effizienter betrieben werden. Somit kann die hydraulische Verdrängungseinheit abhängig vom erforderlichen Förderstrom selektiv von der hydraulischen Verstellpumpe und/oder von der hydraulischen Konstantmaschine angetrieben werden. Auf diese Weise kann die hydraulische Verdrängungseinheit für eine Reihe verschiedener Förderströme mit einem hohen Grad an Effizienz betrieben werden.
Der Hydraulikkreis kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die dafür ausgelegt ist, die elektrische Maschine und den Elektromotor zu steuern, insbesondere mindestens eines von einer Drehzahl der elektrischen Maschine, einer Leistung der elektrischen Maschine, einer Drehzahl des Elektromotors und einer Leistung des Elektromotors. Die Steuereinheit umfasst typischerweise eine elektrische Schaltung. Die Steuereinheit kann eine Verarbeitungseinheit umfassen wie etwa einen Mikroprozessor, eine programmierbare FPGA oder dergleichen.
Zum Beispiel kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, die elektrische Maschine und den Elektromotor auf Basis eines erforderlichen Förderstroms durch die hydraulische Verdrängungseinheit und auf Basis eines Schwellenförderstroms durch die hydraulische Verdrängungseinheit zu steuern. Zum Beispiel kann der Hydraulikkreis eine Eingabevorrichtung umfassen, die mit der Steuereinheit kommuniziert, beispielsweise über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung. Die Eingabevorrichtung kann mindestens eines von einem Knauf, einem Schalter, einem Pedal, einem Hebel oder einem Touchscreen umfassen. Ein Anwender kann dann den erforderlichen Förderstrom mittels der Eingabevorrichtung eingeben. Zum Beispiel kann der Schwellenförderstrom von mindestens einem oder mehreren Parametern abhängen, wie etwa von einem oder mehreren von einer hydraulischen Verdrängung der elektrischen Maschine, einer maximalen hydraulischen Verdrängung der Hydraulikpumpe, einer maximalen Leistung der elektrischen Maschine, einer maximalen Leistung des Elektromotors und dem erforderlichen Förderstrom.
Zum Beispiel kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, den Schwellenförderstrom auf Basis von einem oder mehreren dieser Parameter zu bestimmen oder zu berechnen. Der Schwellenförderstrom kann auch einen vorgegebenen Wert aufweisen.
Die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, die elektrische Maschine anzuhalten bzw. nicht laufen zu lassen und die hydraulische Verdrängungseinheit über den Elektromotor und die Hydraulikpumpe anzutreiben, falls der erforderliche Förderstrom unter dem Schwellenförderstrom liegt.
Außerdem oder alternativ dazu kann die Steuereinheit für den Fall, dass der erforderliche Förderstrom mindestens so hoch ist wie der Schwellenförderstrom, dafür ausgelegt sein, zumindest so lange wie ein tatsächlicher Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit unter dem Schwellenförderstrom liegt, die elektrische Maschine nicht laufen zu lassen und die hydraulische Verdrängungseinheit über den Elektromotor und die Hydraulikpumpe anzutreiben. In diesem Fall kann die Steuereinheit ferner dafür ausgelegt sein, die hydraulische Verdrängungseinheit über die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine anzutreiben, wenn oder sobald der tatsächliche Förderstrom den Schwellenförderstrom überschreitet. Außerdem kann die Steuereinheit für den Fall, dass der erforderliche Förderstrom mindestens so hoch ist wie der Schwellenförderstrom, dafür ausgelegt sein, den Elektromotor anzuhalten bzw. nicht laufen zu lassen, wenn oder sobald der tatsächliche Förderstrom den Schwellenförderstrom überschreitet.
Die Steuereinheit kann ferner dafür ausgelegt sein, die hydraulische Verdrängung der hydraulischen Verstellpumpe beispielsweise auf Basis von mindestens einem von dem erforderlichen Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit und dem tatsächlichen Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit zu steuern. Zum Beispiel kann die Hydraulikpumpe eine bewegbare Taumelscheibe zum Variieren der hydraulischen Verdrängung der Hydraulikpumpe aufweisen. Die Steuereinheit kann dann dafür ausgelegt sein, einen Schwenkwinkel der bewegbaren Taumelscheibe beispielsweise mittels eines hydraulischen Stellantriebs oder mittels eines elektrischen Stellantriebs zu steuern.
Der Hydraulikkreis kann ferner eine Energiespeichervorrichtung, wie etwa eine Batterie, umfassen, wobei die Energiespeichervorrichtung elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Zum Beispiel können die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine dafür ausgelegt sein, in einem Antriebsmodus zum Antreiben der hydraulischen Verdrängungseinheit betrieben zu werden. Im Antriebsmodus wird die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben, der Energie, die in der Energiespeichervorrichtung gespeichert ist, in mechanische Energie zum Antreiben der hydraulischen Maschine umwandelt, und die hydraulische Maschine wird als Hydraulikpumpe betrieben, um die hydraulische Verdrängungseinheit mit Druck zu beaufschlagen.
Die Energiespeichervorrichtung kann eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung, wie etwa einen Akkumulator, umfassen. Zum Beispiel kann die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung einen oder mehrere elektrische Kondensatoren oder eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine können dann dafür ausgelegt sein, in einem Rückgewinnungsmodus zum Zurückgewinnen von Energie aus der hydraulischen Verdrängungseinheit oder über die hydraulische Verdrängungseinheit und zum Übertragen der zurückgewonnen Energie auf die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung zum Speichern der zurückgewonnen Energie in der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung betrieben zu werden. Im Rückgewinnungsmodus wird die hydraulische Maschine als Hydraulikmotor zum Antreiben der elektrischen Maschine betrieben und die elektrische Maschine wird als Generator zum Aufladen der Energiespeichervorrichtung betrieben. Zum Beispiel kann im Rückgewinnungsmodus eine Last, die auf die hydraulische Verdrängungseinheit wirkt, eine Verdrängung von Fluid aus der hydraulischen Verdrängungseinheit zur hydraulischen Maschine bewirken, wodurch die hydraulische Maschine angetrieben wird.
Die Energiespeichervorrichtung oder die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung kann ferner elektrisch mit dem Elektromotor verbunden sein, um den Elektromotor anzutreiben.
Typischerweise umfasst die hydraulische Verdrängungseinheit einen ersten Fluiddurchlass und einen zweiten Fluiddurchlass. Die hydraulische Maschine kann selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden, beispielsweise über ein oder mehrere Ventile. Genauer kann die hydraulische Maschine selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden über eine erste Fluidleitung, um die hydraulische Verdrängungseinheit über die erste Fluidleitung mit Druck zu beaufschlagen, oder eine zweite Fluidleitung, um über die zweite Fluidleitung Energie aus der oder über die hydraulische Verdrängungseinheit zurückzugewinnen.
Wenn die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine beispielsweise im Antriebsmodus betrieben werden, dann kann die hydraulische Maschine über die erste Fluidleitung mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden. Und wenn die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine im Rückgewinnungsmodus betrieben werden, dann kann die hydraulische Maschine über die zweite Fluidleitung mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden. Der Hydraulikkreis kann ein erstes Ventil zum selektiven Blockieren eines Fluidstroms zwischen der hydraulischen Maschine und der hydraulischen Verdrängungseinheit durch die erste Fluidleitung umfassen, und der Hydraulikkreis kann ein zweites Ventil zum selektiven Blockieren eines Fluidstroms zwischen der hydraulischen Maschine und der hydraulischen Verdrängungseinheit durch die zweite Fluidleitung umfassen. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Steuereinheit dafür ausgelegt sein, das erste Ventil und/oder das zweite Ventil zu steuern.
Die Hydraulikpumpe kann selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit oder dem zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden. Anders ausgedrückt kann die Hydraulikpumpe verwendet werden, um selektiv den ersten Fluiddurchlass oder den zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit mit Druck zu beaufschlagen. Auf diese Weise kann die hydraulische Verstellpumpe selektiv ein bewegbares Element der hydraulischen Verdrängungseinheit, wie etwa einen Hydraulikkolben, sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung bewegen oder antreiben.
Zum Beispiel kann die Hydraulikpumpe durch ein Steuerventil selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit oder dem zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung gebracht werden. Dieses Steuerventil kann zumindest folgendes umfassen: einen ersten Fluiddurchlass, der mit der Hydraulikpumpe und mit der hydraulischen Maschine in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, insbesondere durch die oben beschriebene erste Fluidleitung; einen zweiten Fluiddurchlass, der mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit und der hydraulischen Maschine in Fluidverbindung steht, insbesondere durch die oben beschriebene zweite Fluidleitung; und einen dritten Fluiddurchlass, der mit dem zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird. Das Steuerventil kann zumindest aufweisen: eine erste Steuerposition, in welcher der erste Fluiddurchlass des Steuerventils mit dem zweiten Fluiddurchlass des Steuerventils in Fluidverbindung steht und fluidisch von dem dritten Fluiddurchlass des Steuerventils isoliert ist, und eine zweite Steuerposition, in welcher der erste Fluiddurchlass des Steuerventils mit dem dritten Fluiddurchlass des Steuerventils in Fluidverbindung steht und fluidisch von dem zweiten Fluiddurchlass des Steuerventils isoliert ist. Die oben beschriebene Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, das Steuerventil zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, das Steuerventil zwischen der ersten Steuerposition und der zweiten Steuerposition umzuschalten.
Der erste Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit und der zweite Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit können über ein Einwegventil selektiv fluidtechnisch miteinander kommunizieren. Zum Beispiel kann das Einwegventil mit dem ersten und dem zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit auf solche Weise verbunden sein, dass das Einwegventil einen Fluidstrom durch das Einwegventil vom zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit zum ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit zulässt und einen Fluidstrom durch das Einwegventil vom ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit zum zweiten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit blockiert.
Außerdem wird hier ein weiterer Hydraulikkreis vorgeschlagen. Dieser weitere Hydraulikkreis umfasst zumindest:

einen ersten Lenkzylinder;
mindestens einen Bremszylinder;
mindestens einen Wärmetauscher, insbesondere einen Kühler zum Kühlen eines Schmiersystems; und eine weitere Hydraulikpumpe, die antriebsmäßig mit einem weiteren Elektromotor in Eingriff steht oder selektiv in Eingriff gebracht wird;
wobei die weitere Hydraulikpumpe mit dem mindestens einen Lenkzylinder, mit dem mindestens einen Bremszylinder und mit dem mindestens einen Wärmetauscher in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird.

Der weitere Hydraulikkreis kann mit dem zuvor beschriebenen Hydraulikkreis kombiniert werden. Zum Beispiel kann der weitere Elektromotor des weiteren Hydraulikkreises durch den Elektromotor des zuvor beschriebenen Hydraulikkreises ersetzt werden. Anders ausgedrückt kann der Elektromotor des zuvor beschriebenen Hydraulikkreises zusätzlich mit der weiteren Hydraulikpumpe des weiteren Hydraulikkreises antriebsmäßig in Eingriff stehen oder selektiv in Eingriff gebracht werden.
Ausführungsformen der hier vorgeschlagenen Hydraulikkreise werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung beschrieben und sind in den beigefügten Zeichnungen abgebildet, in denen:

1 skizzenhaft den hier vorgeschlagenen Hydraulikkreis gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 eine Detailskizze des Hydraulikkreises von 1 zeigt;
3a skizzenhaft den Hydraulikkreis von 1 während eines ersten Stadiums eines Prozesses des Anhebens eines Hydraulikkolbens zeigt;
3b skizzenhaft den Hydraulikkreis von 1 während eines zweiten Stadiums des Prozesses des Anhebens eines Hydraulikkolbens zeigt;
4 skizzenhaft einen Graphen zeigt, der eine Motordrehzahl versus einen Förderstrom in einer hydraulischen Verdrängungseinheit des Hydraulikkreises von 1 zeigt;
5 skizzenhaft den Hydraulikkreis von 1 während eines Prozesses des Absenkens eines Hydraulikkolbens und des Zurückgewinnens von Energie aus oder durch den Hydraulikkolben zeigt;
6 skizzenhaft den hier vorgeschlagenen Hydraulikkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
7 skizzenhaft einen weiteren Hydraulikkreis zeigt, der einen Lenkzylinder, einen Wärmetauscher und einen Bremszylinder aufweist; und
8 kizzenhaft eine Variante des Hydraulikkreises von 7 zeigt.

1 zeigt skizzenhaft eine Ausführungsform eines Hydraulikkreises 100 der hier vorgeschlagenen Art, der in einer Arbeitsmaschine, wie etwa eines Laders mit Ausleger, angeordnet sein kann. Der Hydraulikkreis 100 umfasst drei gleiche hydraulische Verdrängungseinheiten 1. Man beachte, dass die hydraulischen Verdrängungseinheiten 1 in alternativen Ausführungsformen nicht gleich sein müssen und dass der Hydraulikkreis 100 eine kleinere oder eine größere Zahl an hydraulischen Verdrängungseinheiten aufweisen kann. Der Einfachheit halber wird im Folgenden nur eine von den drei hydraulischen Verdrängungseinheiten 1 ausführlich beschrieben. In 1 sind die hydraulischen Verdrängungseinheiten 1 als Hydraulikzylinder ausgelegt, die beispielsweise Teil eines Hebemechanismus sein können. Jedoch sei klargestellt, dass die hydraulischen Verdrängungseinheiten 1 in alternativen Ausführungsformen Hydraulikmotoren oder andere Arten von hydraulischen Verdrängungseinheiten aufweisen können.
In 1 umfasst jede von den hydraulischen Verdrängungseinheiten 1 einen bewegbaren Kolben 2, der den entsprechenden Zylinder in eine erste Fluidkammer 3 und eine zweite Fluidkammer 4 teilt. Zum Anheben einer Last, die von dem Kolben 2 getragen wird, kann der Kolben 2 dadurch nach oben bewegt werden, dass die erste Fluidkammer 3 mit Druck beaufschlagt wird. Und zum Absenken einer Last, die von dem Kolben 2 getragen wird, kann der Kolben 2 dadurch nach unten bewegt werden, dass Druck aus der ersten Fluidkammer 3 abgelassen wird und/oder die zweite Fluidkammer 4 mit Druck beaufschlagt wird. Eine Fluidverbindung mit der ersten Fluidkammer 3 wird über einen ersten Fluiddurchlass 5 bereitgestellt, und eine Fluidverbindung mit der zweiten Fluidkammer 4 wird über einen zweiten Fluiddurchlass 6 bereitgestellt.
Der Hydraulikkreis 100 umfasst ferner eine elektrische Maschine 7, die einen elektrischen Motor/Generator aufweist, und einen Elektromotor 8. Anders ausgedrückt kann die elektrische Maschine 7 selektiv entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betrieben werden. Die elektrische Maschine 7 steht antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine 9 in Eingriff, die eine Hydraulikpumpe/einen Hydraulikmotor 9a und eine Hydraulikpumpe/einen Hydraulikmotor 9b umfasst, und der Elektromotor 8 steht antriebsmäßig mit einer Hydraulikpumpe 10 in Eingriff. Man beachte, dass die hydraulische Maschine 9 in alternativen Ausführungsformen auch nur eine Hydraulikpumpe/einen Hydraulikmotor oder mehr als zwei Hydraulikpumpen/Hydraulikmotoren umfassen kann. Die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b können über dieselbe Antriebswelle mit der elektrischen Maschine 7 gekoppelt sein, so dass sich die Pumpen/Motoren 9a, 9b immer mit derselben Geschwindigkeit drehen. Die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b weisen jeweils eine feste hydraulische Verdrängung auf, während die Hydraulikpumpe 10 eine variable hydraulische Verdrängung aufweist. Zum Beispiel kann die Hydraulikpumpe 10 eine bewegbare Taumelscheibe aufweisen, so dass die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 durch Ändern eines Schwenkwinkels der Taumelscheibe geändert werden kann. Die feste hydraulische Verdrängung der hydraulischen Maschine 9, welche die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b aufweist, kann beispielsweise größer sein als eine maximale hydraulische Verdrängung der hydraulischen Verstellpumpe 10.
Der Hydraulikkreis 100 umfasst ferner eine Energiespeichervorrichtung 11, die über elektrische Verbindungen 12, 13 elektrisch mit der elektrischen Maschine 7 und mit dem Elektromotor 8 verbunden ist. Die Energiespeichervorrichtung 11 ist eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung. Zum Beispiel kann die Energiespeichervorrichtung 11 einen oder mehrere elektrische Kondensatoren, eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien oder andere wiederaufladbare Speichervorrichtungen aufweisen.
Der Elektromotor 8 kann mit Energie angetrieben werden, die in der Energiespeichervorrichtung 11 gespeichert ist. Das heißt, der Elektromotor 8 kann Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 11 gespeichert ist, insbesondere elektrische Energie oder elektrochemische Energie, in mechanische Energie zum Antreiben der Hydraulikpumpe 10 umwandeln. Ebenso kann die elektrische Maschine 7, wenn die elektrische Maschine 7 als Elektromotor betrieben wird, Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 11 gespeichert ist, insbesondere elektrische Energie oder elektrochemische Energie, in mechanische Energie zum Antreiben der hydraulischen Maschine 9, welche die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b aufweist, umwandeln. Außerdem kann die elektrische Maschine 7, wenn die elektrische Maschine 7 als elektrischer Generator betrieben wird, mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, die dann auf die Energiespeichervorrichtung 11 übertragen und dort gespeichert werden kann, beispielsweise in elektrischer oder in elektrochemischer Form.
Die hydraulische Verstellpumpe 10 kommuniziert fluidtechnisch mit einem Niederdruckfluidtank 14. Außerdem wird die hydraulische Verstellpumpe 10 selektiv mit der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung gebracht. Genauer wird die hydraulische Verstellpumpe 10 über ein magnetisch gesteuertes 2/2-Wegeventil 15 und über eine Ventilbaugruppe 16 selektiv mit den Fluiddurchlässen 5, 6 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung gebracht. Ferner blockiert ein Einwegventil 26 einen Fluidstrom aus der hydraulischen Maschine 9 zur Hydraulikpumpe 10 durch die Fluidleitung 17. Die Ventilbaugruppe 16 ist in 2 detaillierter dargestellt. Hier und überall in den folgenden Ausführungen sind wiederkehrende Merkmale, die in verschiedenen Figuren abgebildet sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Ebenso stehen die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b der hydraulischen Maschine 9 mit dem Fluidtank 14 in Fluidverbindung. Außerdem werden die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b selektiv mit der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung gebracht. Genauer werden die Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b über eine erste Fluidleitung 17, eine zweite Fluidleitung 18 und über die Ventilbaugruppe 16, die in 2 abgebildet ist, selektiv mit den Fluiddurchlässen 5, 6 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung gebracht.
Ein Einwegventil 19 blockiert selektiv einen Fluidstrom zwischen der hydraulischen Maschine 9 und der hydraulischen Verdrängungseinheit 1, genauer zwischen der hydraulischen Maschine 9 und der Ventilbaugruppe 16, durch die erste Fluidleitung 17. Genauer lässt das Einwegventil 19 einen Fluidstrom von den Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b durch die erste Fluidleitung 17 zu der Ventilbaugruppe 16 zu, und das Einwegventil 19 blockiert einen Fluidstrom von der Ventilbaugruppe 16 durch die erste Fluidleitung 17 zu den Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b. Ferner blockiert das Einwegventil 19 einen Fluidstrom von der Hydraulikpumpe 10 zur hydraulischen Maschine 9 durch die Fluidleitung 17. Ein magnetisch gesteuertes 2/2-Wegeventil 20 blockiert selektiv einen Fluidstrom zwischen der hydraulischen Maschine 9 und der hydraulischen Verdrängungseinheit 1, genauer zwischen den Hydraulikpumpen/-motoren 9a, 9b und der Ventilbaugruppe 16, durch die zweite Fluidleitung 18.
Die Ventilbaugruppe 16, die schematisch in 1 abgebildet ist und in Fg. 2 detaillierter abgebildet ist, weist fünf Fluiddurchlässe 16a-e auf. Ein erster Fluiddurchlass 16a der Ventilbaugruppe 16 wird durch die erste Fluidleitung 17 und das Einwegventil 19 selektiv mit der hydraulischen Maschine 9 in Fluidverbindung gebracht. Ferner wird der erste Fluiddurchlass 16a der Ventilbaugruppe 16 durch das Einwegventil 26 und das 2/2-Wegeventil 15 selektiv mit der hydraulischen Verstellpumpe 10 in Fluidverbindung gebracht. Ein zweiter Fluiddurchlass 16b der Ventilbaugruppe 16 wird durch die zweite Fluidleitung 18 und das 2/2-Wegeventil 20 selektiv mit der hydraulischen Maschine 9 in Fluidverbindung gebracht. Ein dritter Fluiddurchlass 16c der Ventilbaugruppe 16 steht mit der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung. Ein vierter Fluiddurchlass 16d der Ventilbaugruppe 16 steht mit der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung. Und ein fünfter Fluiddurchlass 16e der Ventilbaugruppe 16 steht mit dem Niederdruckfluidtank 14 in Fluidverbindung.
Die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 steht über die Fluiddurchlässe 16b, 16c der Ventilbaugruppe 16 (1 und 2) mit der zweiten Fluidleitung 18 in Fluidverbindung. Die zweite Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 wird über ein Druckentlastungsventil 24 und über die Fluiddurchlässe 16d, 16e der Ventilbaugruppe 16 selektiv mit dem Niederdruckfluidtank 14 in Fluidverbindung gebracht. Ein hydraulischer Stellantrieb 24a des Druckentlastungsventils 24, der das Druckentlastungsventil 24 in eine offene Position vorspannt, steht mit der ersten Fluidleitung 17 in Fluidverbindung oder wird über ein optionales Ausgleichsventil 22 und den Fluiddurchlass 16a selektiv damit in Fluidverbindung gebracht. Genauer bringt das Druckentlastungsventil 24 die zweite Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 mit dem Niederdruckfluidtank 14 in Fluidverbindung, falls der hydrostatische Druck in der ersten Fluidleitung 17 einen vorgegebenen Schwellendruck übersteigt, der mit einer Feder 24b eingestellt wird.
Ein Einwegventil 25 (2) bringt die zweite Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die Fluiddurchlässe 16b, 16c, 16d selektiv in Fluidverbindung mit der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 und mit der zweiten Fluidleitung 18. Das Einwegventil 25 lässt einen Fluidstrom von der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 zur ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 und zu der zweiten Fluidleitung 18 durch das Einwegventil 25 zu, und das Einwegventil 25 blockiert einen Fluidstrom von der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 (und von der zweiten Fluidleitung 18) zur zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1. Das Einwegventil 25 blockiert ferner einen Fluidstrom von der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 (und von der zweiten Fluidleitung 18) zum Niederdruckfluidtank 14 durch das Einwegventil 25.
Ein 3/2-Wegeventil 21 bringt die hydraulische Maschine 9 und/oder die Hydraulikpumpe 10 selektiv mit entweder der ersten Fluidkammer 3 oder der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung (1 und 2). Das Steuerventil 21 kann elektromagnetisch gesteuert werden, beispielsweise mittels einer Magnetspule. Das optionale Ausgleichsventil 22 ist fluidtechnisch zwischen der hydraulischen Maschine 9 und/oder der Hydraulikpumpe 10 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 angeordnet. Das Ausgleichsventil 22 gewährleistet somit, dass die hydraulische Maschine 9 und/oder die Hydraulikpumpe 10 die hydraulische Verdrängungseinheit 1 nur dann mit Druck beaufschlagen kann/können, wenn der Druck, der von der hydraulischen Maschine 9 und/oder der Hydraulikpumpe 10 bereitgestellt wird, einen vorgegebenen Schwellendruck übersteigt.
Wenn das Steuerventil 21 in die erste Steuerposition 21' geschaltet wird, wie in 2 gezeigt ist, ermöglicht das Steuerventil 21 eine Fluidverbindung der hydraulischen Konstantmaschine 9 und/oder der hydraulischen Verstellpumpe 10 mit der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die Fluiddurchlässe 16a, 16c, um die erste Fluidkammer 3 mit Druck zu beaufschlagen. Das heißt, wenn das Steuerventil 21 in die erste Steuerposition 2Γ geschaltet wird, können die hydraulische Konstantmaschine 9 und/oder die hydraulische Verstellpumpe 10 die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 mit Druck beaufschlagen. Wenn das Steuerventil 21 in die erste Steuerposition 21' geschaltet wird und die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 von der hydraulischen Maschine 9 und/oder der Hydraulikpumpe 10 mit Druck beaufschlagt wird, um den Kolben 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 anzuheben, kann Fluid aus der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 durch das oben beschriebene Einwegventil 25 wieder in die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 eintreten. Gleichzeitig kann ein optionales Einwegventil 23 zusätzlich verhindern, dass Fluid aus der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 zum Steuerventil 21 austritt.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Steuerung 21, wenn das Steuerventil 21 in die zweite Steuerposition 21" (in 2 nicht gezeigt) geschaltet wird, eine Fluidverbindung der hydraulischen Konstantmaschine 9 und/oder der hydraulischen Verstellpumpe 10 mit der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die Fluiddurchlässe 16a, 16d, um die zweite Fluidkammer 4 mit Druck zu beaufschlagen.
Ein Sensor 27 (2) steht über den Durchlass 16d mit der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung. Der Sensor 27 schließt einen Drucksensor und einen Strömungssensor ein. Das heißt, der Sensor 27 ist dafür ausgelegt, einen hydrostatischen Druck in der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 und einen Fluidstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1 zu messen. Man beachte, dass in alternativen Ausführungsformen der Sensor 27 nur einen Drucksensor oder nur einen Strömungssensor einschließen könnte. Ferner kann in alternativen Ausführungsformen, die hier nicht eigens abgebildet sind, der Sensor 27 mit der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 in Fluidverbindung stehen, so dass der Sensor 27 einen Fluidstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1 und einen hydrostatischen Druck in der ersten Fluidkammer 3 messen kann. Ferner ist vorstellbar, dass zwei Sensoren der Art des Sensors 27 bereitgestellt sind, von denen einer mit der ersten Fluidkammer 3 in Fluidverbindung steht und von denen einer mit der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit in Fluidverbindung seht.
Die Hydraulikschaltung 100 weist ferner eine elektronische Steuereinheit 28 (1) auf. Die Steuereinheit 28 kann einen oder mehrere programmierbare Mikroprozessoren oder eine oder mehrere Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) aufweisen. Auch wenn 1 nahelegt, dass die Steuereinheit 28 als einzelne integrierte Schaltung konfiguriert ist, sei klargestellt, dass die Steuereinheit 28 in alternativen Ausführungsformen eine Vielzahl von separaten Einheiten umfassen kann, die an verschiedenen Stellen in dem Hydraulikkreis 100 angeordnet sein können. Wenn die Steuereinheit 28 eine Vielzahl von separaten Einheiten umfasst, sind diese separaten Einheiten vorzugsweise dafür ausgelegt, miteinander zu kommunizieren.
Die Steuereinheit 28 ist dafür ausgelegt oder programmiert, die elektrische Maschine 7, insbesondere eine Drehzahl und/oder eine Drehleistung der elektrischen Maschine 7, zu steuern. Die Steuereinheit 28 ist dafür ausgelegt oder programmiert, den Elektromotor 8, insbesondere eine Drehzahl und/oder eine Drehleistung des Elektromotors 8, zu steuern. Die Steuereinheit 28 ist dafür ausgelegt oder programmiert, die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 zu steuern, beispielsweise durch Ändern eines Schwenkwinkels einer Taumelscheibe der Hydraulikpumpe 10. Die Steuereinheit 28 kommuniziert mit dem Sensor 27 und ist dafür ausgelegt, Messsignale und/oder Messdaten aus dem Sensor 27 zu empfangen (2). Und die Steuereinheit 28 ist dafür ausgelegt, die Ventile 15, 20, 21 zu steuern oder zu schalten. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 28 dafür ausgelegt sein, mindestens eines oder jedes von der elektrischen Maschine 7, dem Elektromotor 8, der hydraulischen Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 und den Ventilen 15, 20, 21 auf Basis eines Befehls zu steuern, der durch einen Anwender durch eine Eingabevorrichtung, wie etwa ein Touchpad, einen Schalter, ein Pedal oder einen Hebel (nicht gezeigt) bereitgestellt wird. Der Befehl, der von dem Anwender bereitgestellt wird, kann beispielsweise einen erforderlichen Förderstrom einschließen. Außerdem oder alternativ dazu kann die Steuereinheit 28 dafür ausgelegt sein, mindestens eines oder jedes von der elektrischen Maschine 7, dem Elektromotor 8, der hydraulischen Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 und den Ventilen 15, 20, 21 auf Basis eines Messsignals oder auf Basis von Messdaten, die von dem Sensor 27 bereitgestellt werden, zu steuern.
Optional kann der Hydraulikkreis 100 ferner einen hydraulischen Unterkreis 50 umfassen, der eine Hydraulikpumpe 30, einen hydraulischen Lenkzylinder 31, einen Wärmetauscher 32 und einen Bremszylinder 33 umfasst, wobei die Hydraulikpumpe 30 antriebsmäßig mit dem Elektromotor 8 in Eingriff stehen kann. Der hydraulische Unterkreis 50 ist in 7 gezeigt und wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Alternativ dazu kann der hydraulische Unterkreis 50 durch einen hydraulischen Unterkreis 60 ersetzt werden. Der hydraulische Unterkreis 60 ist in 8 gezeigt und wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
3a zeigt den Hydraulikkreis 100 von 1 während eines ersten Stadiums eines Prozesses zum Anheben des Kolbens 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1, und 3b zeigt den Hydraulikkreis 100 von 1 während eines zweiten Stadiums des Prozesses des Anhebens des Kolbens 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1. 4 beinhaltet einen Graphen, der eine Drehzahl des Elektromotors 8 und der elektrischen Maschine 7 versus einen Förderstrom Q. von Fluid zeigt, das während des in 3a und 3b gezeigten Anhebeprozesses durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1 strömt. Der Anhebeprozess wird von der Steuereinheit 28 gesteuert und kann beispielsweise durch einen Eingabebefehl initiiert werden, der von einem Anwender des Hydraulikkreises 100 bereitgestellt wird.
Während des ersten Stadiums des Anhebeprozesses, der in 3a abgebildet ist, lässt die Steuereinheit 28 die elektrische Maschine 7 zumindest am Anfang nicht laufen, so dass die Pumpen 9a, 9b der hydraulischen Maschine 9 keinerlei Fluid fördern. Außerdem schließt die Steuereinheit 28 das Ventil 20 oder hält das Ventil 20 geschlossen, wodurch die zweite Fluidleitung 18 blockiert wird. Gleichzeitig öffnet die Steuereinheit 28 das Ventil 15 und schaltet das Steuerventil 21 (2) in die erste Steuerposition 2Γ, wodurch sie die hydraulische Verstellpumpe 10 mit der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die erste Fluidleitung 17 und die Durchlässe 16a, 16c der Ventilbaugruppe 16 in Fluidverbindung bringt. Ferner stellt die Steuereinheit 28 die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 auf einen Wert ungleich null ein, und erhöht allmählich die Drehzahl des Elektromotors 8, der von der Energiespeichervorrichtung 11 mit Leistung versorgt wird.
Infolgedessen treibt der Elektromotor 8 die hydraulische Verstellpumpe 10 an, die Fluid über die Fluidleitung 17 und das Ausgleichsventil 22, das in die offene Position gezwungen wird (siehe die fett gedruckten gestrichelten Linien in 3a), aus dem Niederdruckfluidtank 14 zur ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 fördert. Auf diese Weise beaufschlagt die Hydraulikpumpe 10 die erste Fluidkammer 3 mit Druck und hebt den Kolben 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit und eine Last, die auf dem Kolben 2 liegt, nach oben. Wenn der Kolben 2 auf diese Weise nach oben gehoben wird, tritt Fluid, das aus der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit getrieben wird, über das Einwegventil 25 und die Fluiddurchlässe 16d, 16c der Ventilbaugruppe 16 wieder in die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 ein. Auf diese Weise muss nur eine minimale Menge an Fluid bewegt werden, und nur eine minimale Menge an Energie muss aufgewendet werden, um den Kolben 2 anzuheben. Das Einwegventil 19 verhindert, dass unter Druck stehendes Fluid, das von der Hydraulikpumpe 10 gefördert wird, wieder in die hydraulische Maschine 9 eintritt.
Wenn die Steuereinheit 28 die Drehzahl des Elektromotors 8 erhöht, der die hydraulische Verstellpumpe 10 antreibt, um den Kolben 2 anzuheben, kann die Steuereinheit 28 die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 kontinuierlich steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 28 dafür ausgelegt sein, den Elektromotor 8 und/oder die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 auf solche Weise zu steuern, dass der Fluidstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1 einem bestimmten Zeitprofil folgt. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 28 dafür ausgelegt sein, den Elektromotor 8 und/oder die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 auf Basis eines gemessenen Förderstroms, der von dem Sensor 27 bereitgestellt wird, und/oder auf Basis eines erforderlichen Förderstroms steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 28 dafür ausgelegt sein, den Elektromotor 8 und/oder die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe 10 unter Verwendung eines Rückkopplungsalgorithmus zu steuern. Auf diese Wese kann der Förderstrom, der vom Elektromotor 8 und/oder der Hydraulikpumpe 10 bereitgestellt wird, um den Kolben 2 anzuheben, auch bei niedrigen Förderstromwerten präzise gesteuert werden.
In 4 wird das erste Stadium des Hebeprozesses, während dessen die hydraulische Verdrängungseinheit 1 von der Hydraulikpumpe 10 mit Druck beaufschlagt wird, von einem Abschnitt 29a der Kurve von Motordrehzahl-vs-Förderstrom 29 beschrieben. Beginnend bei einem minimalen Förderstrom Qmin nimmt der Förderstrom, der von der Hydraulikpumpe 10 bereitgestellt wird, allmählich zu, wenn die Drehzahl des Elektromotors 8 steigt.
Sobald der tatsächliche Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1, der vom Sensor 27 gemessen wird, einen Schwellenwert Q_threshold überschreitet, initiiert die Steuereinheit 28 das zweite Stadium des Hebeprozesses, das in 3b dargestellt ist. Der Schwellenförderstrom Q_threshold kann einen festen und vorgegebenen Wert aufweisen oder kann durch die Steuereinheit 28 auf Basis von Parametern wie beispielsweise dem erforderlichen Förderstrom bestimmt werden. Wenn der tatsächliche Förderstrom den Schwellenwert Q_threshold erreicht, hält die Steuereinheit 28 den Elektromotor 8 an, so dass der Elektromotor 8 die hydraulische Verstellpumpe 10 nicht mehr antreibt. Außerdem schließt die Steuereinheit 28 das Ventil 15. Das Steuerventil 21 (1) bleibt in der ersten Steuerposition 2Γ. Die Steuereinheit 28 geht dann zu der elektrischen Maschine 7 über, wodurch die elektrische Maschine 7 als Elektromotor betrieben wird, der von der Energiespeichervorrichtung 11 mit Leistung versorgt wird. Alternativ dazu ist vorstellbar, dass die Steuereinheit 28, während der Hebeprozess vom ersten Stadium auf das zweite Stadium übergeht, den Elektromotor 8 und die elektrische Maschine 7 zumindest für einen begrenzten Zeitraum gleichzeitig antreibt, zum Beispiel, um Diskontinuitäten im Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit 1 zu minimieren.
Während des zweiten Stadiums des Hebeprozesses treibt die elektrische Maschine 7 die Hydraulikpumpen 9a, 9b der hydraulischen Maschine 9 an, die Fluid aus dem Niederdrucktank 14 über die erste Fluidleitung 17 und das Ausgleichsventil 22, das gezwungenerweise in der offenen Position (siehe die fett gedruckten gestrichelten Linien in 3b) bleibt, zur ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 fördern. In 3b betreibt die Steuereinheit 28 die elektrische Maschine 7 und die hydraulische Maschine 9 in einem Antriebsmodus. Auf diese Weise beaufschlagt die hydraulische Maschine 9 die erste Fluidkammer 3 mit Druck und hebt den Kolben 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 und die darauf liegende Last weiter nach oben. Wiederum tritt Fluid, das aus der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit getrieben wird, über das Einwegventil 25 und die Fluiddurchlässe 16d, 16c der Ventilbaugruppe 16 wieder in die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 ein.
In 4 wird das zweite Stadium des Hebeprozesses, während dessen die hydraulische Verdrängungseinheit 1 von der hydraulischen Maschine 9 mit Druck beaufschlagt wird, von einem Abschnitt 29b der Kurve von Motordrehzahl-vs-Förderstrom 29 beschrieben. Beginnend bei einem Schwellenförderstrom Q_threshold, nimmt der Förderstrom, der von der hydraulischen Maschine 9 bereitgestellt wird, weiter zu, wenn die Drehzahl des Elektromotors 7 weiter erhöht wird. Da die feste hydraulische Verdrängung der hydraulischen Maschine 9 von der hydraulischen Verdrängung der Hydraulikpumpe 10, die während des ersten Stadiums des Hebeprozesses verwendet wird, verschieden ist, ist eine Steigung der Kurve 29 im ersten Abschnitt 29a, welcher dem ersten Stadium des Hebeprozesses entspricht, von einer Steigung der Kurve 29 im zweiten Abschnitt 29b, der dem zweiten Stadium des Hebeprozesses entspricht, verschieden.
5 bildet den Hydraulikkreis 100 von 1-3 während eines Prozesses zum Senken des Kolbens 2 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 und einer darauf liegenden Last ab. In 5 öffnet die Steuereinheit 28 das Ventil 20, wodurch die erste Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die Durchlässe 16c, 16b der Ventilbaugruppe 16 (2) und über die zweite Fluidleitung 18 mit der hydraulischen Maschine 9 fluidisch verbunden wird. Das Gewicht der Last, die auf dem Kolben 2 liegt, zwingt den Kolben 2, Fluid aus der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 durch die Pumpen/Motoren 9a, 9b der hydraulischen Maschine 9 zum Niederdruckfluidtank 14 zu verdrängen, wodurch die hydraulische Maschine 9 angetrieben wird. Die hydraulische Maschine 9 treibt ihrerseits die elektrische Maschine 7 an, die als elektrischer Generator betrieben wird und die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 11 wieder auflädt. Auf diese Weise kann die potentielle Energie der Last, die auf dem Kolben 2 liegt, während des Senkprozesses von der hydraulischen Maschine 9 und der elektrischen Maschine 7 zumindest zum Teil zurückgewonnen und in der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 11 gespeichert werden.
Wenn der Kolben 2 abgesenkt wird und Fluid aus der ersten Fluidkammer 3 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 verdrängt, kann Fluid über eine zusätzliche Fluidverbindung zwischen der zweiten Fluidkammer 4 und der Niederdruckfluidtank 14 (nicht gezeigt) in die zweite Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 eintreten. Zum Beispiel können die zweite Fluidkammer 4 und der Niederdrucktank 14 über ein zusätzliches Einwegventil (nicht gezeigt) selektiv in Fluidverbindung gebracht werden, wodurch es möglich ist, durch dieses zusätzliche Einwegventil Fluid aus dem Fluidtank 14 in die zweite Fluidkammer 4 zu saugen und einen Fluidstrom aus der zweiten Fluidkammer 4 zum Fluidtank 14 zu blockieren.
Alternativ dazu kann die Hydraulikpumpe 10 während des Senkprozesses Fluid aus dem Fluidtank 14 zur zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 fördern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 28 das Ventil 15 öffnen und das Steuerventil 21 in die zweite Steuerposition 21" schalten, wodurch sie die Hydraulikpumpe 10 mit der zweiten Fluidkammer 4 der hydraulischen Verdrängungseinheit 1 über die erste Fluidleitung 17, das Ausgleichsventil 22, das Einwegventil 23 und die Durchlässe 16a, 16d der Ventilbaugruppe 6 (2) in Fluidverbindung bringt.
6 zeigt einen Hydraulikkreis 200, der eine geringfügig Modifikation des Hydraulikkreises 100 von 1 ist. Der Hydraulikkreis 200 von 6 unterscheidet sich von dem Hydraulikkreis 100 von 1 nur darin, dass er ein zusätzliches Einwegventil 30 und ein zusätzliches 2/2-Wegventil 31 aufweist, die verwendet werden können, um einen Strom aus der Pumpe/dem Motor 9b der hydraulischen Maschine 9 direkt zum Fluidtank 14 umzulenken. Die Verwendung nur der Pumpe/des Motors 9a der hydraulischen Maschine 9 kann die Effizienz des Hydraulikkreises 200 unter bestimmten Umständen erhöhen, beispielsweise bei hohen Drehzahlen der Pumpe/des Motors 9a.
7 zeigt einen Hydraulikkreis 50. Der Hydraulikkreis 50 kann in oder an einem Automobil angeordnet sein, beispielsweise einem Geländefahrzeug, wie einem Lader, einem Kipper, einem Gabelstapler, einer Zugmaschine oder dergleichen. Der Hydraulikkreis 50 von 7 kann Teil des Hydraulikkreises 100 sein, wie in 1 und 3-6 angegeben ist. Jedoch kann der Hydraulikkreis 50 ebenso gut unabhängig sein von dem Hydraulikkreis 100 von 1.
Der Hydraulikkreis 50 weist einen Elektromotor 8 und eine antriebsmäßig mit dem Elektromotor in Eingriff stehende Hydraulikpumpe 30 auf. Wenn der Hydraulikkreis 50 in den Hydraulikkreis 100 von 1 integriert ist oder einen Teil davon bildet, können der Hydraulikkreis 50 und der Hydraulikkreis 100 den Elektromotor 8 von 1 gemeinsam nutzen, so dass sowohl die Hydraulikpumpe 10 des Hydraulikkreises 100 von 1 als auch die Hydraulikpumpe 30 des Hydraulikkreises 50 von 7 antriebsmäßig mit dem Elektromotor 8 in Eingriff stehen.
Die Hydraulikpumpe 30 kann beispielsweise eine feste hydraulische Verdrängung aufweisen. Der Hydraulikkreis 50 weist ferner einen hydraulischen Lenkzylinder 31, einen Wärmetauscher 32, wie einen Kühler, beispielsweise einen Kühler zum Kühlen eines Schmiersystems, und einen Bremszylinder 33 auf. Der Lenkzylinder 31, der Wärmetauscher 32 und der Bremszylinder 33 stehen mit der Hydraulikpumpe 30 in Fluidverbindung oder werden über Ventile 34, 35, 36, 37 selektiv in Eingriff damit gebracht, so dass die Hydraulikpumpe 30 mindestens einen oder alle von dem Lenkzylinder 31, dem Wärmetauscher 32 und dem Bremszylinder 33 selektiv mit Druck beaufschlagen kann. Die Ventile 34-37 können elektromagnetisch gesteuert werden. Ein Auslass des Wärmetauschers 32 steht ferner mit dem Niederdruckfluidtank 14 in Fluidverbindung. Der Elektromotor 8 kann von einer Energiespeichervorrichtung, wie etwa der in 1 gezeigten Energiespeichervorrichtung 11, mit Leistung versorgt werden.
Der Elektromotor 8 und die Ventile 34-37 können mit einer Steuereinheit, wie etwa der in 1 gezeigten Steuereinheit 28, kommunizieren. Das heißt, die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, den Elektromotor 8 zu steuern, insbesondere eine Drehzahl des Elektromotors 8 und/oder eine Leistung des Elektromotors 8. Und die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, die Ventile 34-37 so zu steuern, dass mindestens einer oder alle von dem Lenkzylinder 31, dem Wärmetauscher 32 und dem Bremszylinder 33 selektiv mit Druck beaufschlagt werden.
8 zeigt einen Hydraulikkreis 60, der eine Variante des Hydraulikkreises 50 von 7 ist. Der Hydraulikkreis 60 von 8 unterscheidet sich von dem Hydraulikkreis 50 von 7 darin, dass der Hydraulikkreis 60 von 8 eine weitere Hydraulikpumpe 40 aufweist, die antriebsmäßig mit dem Elektromotor 8 in Eingriff und mit dem Bremszylinder 33 in Fluidverbindung steht. Und der Hydraulikkreis 60 von 8 unterscheidet sich von dem Hydraulikkreis 50 von 7 ferner darin, dass die Hydraulikpumpe 30 über das Ventil 35 nur mit dem Lenkzylinder 31 und mit dem Wärmetauscher 32 selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, so dass die Hydraulikpumpe 30 des Hydraulikkreises 60 mit entweder dem Lenkzylinder 31 oder dem Wärmetauscher 32 selektiv in Fluidverbindung gebracht werden kann.

Claims

Hydraulikkreis (100), umfassend: eine hydraulische Verdrängungseinheit (1) zum Antreiben eines Geräts; eine hydraulische Maschine (9), die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die hydraulische Maschine (9) eine feste hydraulische Verdrängung aufweist; eine elektrische Maschine (7), die antriebsmäßig mit der hydraulischen Maschine (9) in Eingriff steht oder selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird; eine Hydraulikpumpe (10), die mit der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, wobei die Hydraulikpumpe (10) eine variable hydraulische Verdrängung aufweist; und einen Elektromotor (8), der antriebsmäßig mit der Hydraulikpumpe (10) in Eingriff steht oder mit dieser selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird.
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 1, ferner eine Steuereinheit (28) umfassend, die dafür ausgelegt ist, die elektrische Maschine (7) und den Elektromotor (8) auf Basis zumindest eines erforderlichen Förderstroms durch die hydraulische Verdrängungseinheit (1) und auf Basis eines Schwellenförderstroms durch die hydraulische Verdrängungseinheit (1) zu steuern; wobei die Steuereinheit (28) dafür ausgelegt ist, die elektrische Maschine (7) anzuhalten und die hydraulische Verdrängungseinheit (1) über den Elektromotor (8) und die Hydraulikpumpe (10) anzutreiben, falls der erforderliche Förderstrom unter dem Schwellenförderstrom liegt.
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (28) für den Fall, dass der erforderliche Förderstrom mindestens so hoch ist wie der Schwellenförderstrom, dafür ausgelegt ist, die elektrische Maschine (7) zumindest so lange, wie ein tatsächlicher Förderstrom durch die hydraulische Verdrängungseinheit (1) unter dem Schwellenförderstrom liegt, nicht laufen zu lassen und die hydraulische Verdrängungseinheit (1) über den Elektromotor (8) und die Hydraulikpumpe (10) anzutreiben, und die hydraulische Verdrängungseinheit (1) über die elektrische Maschine (7) und die hydraulische Maschine (9) anzutreiben, wenn oder sobald der tatsächliche Förderstrom den Schwellenförderstrom überschreitet.
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (28) dafür ausgelegt ist, den Elektromotor (8) nicht laufen zu lassen, wenn oder sobald der tatsächliche Förderstrom den Schwellenförderstrom überschreitet.
Hydraulikkreis (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuereinheit (28) dafür ausgelegt ist, die hydraulische Verdrängung der Hydraulikpumpe (10) auf Basis des erforderlichen Förderstroms und/oder eines tatsächlichen Förderstroms durch die hydraulische Verdrängungseinheit (1) zu steuern.
Hydraulikkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner eine Energiespeichervorrichtung (11) umfassend, die elektrisch mit der elektrischen Maschine (7) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (7) und die hydraulische Maschine (9) dafür ausgelegt sind, in einem Antriebsmodus zum Antreiben der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) betrieben zu werden; wobei im Antriebsmodus die elektrische Maschine (7) als Elektromotor (8) betrieben wird, der Energie, die in der Energiespeichervorrichtung (11) gespeichert ist, in mechanische Energie umwandelt, um die hydraulische Maschine (9) anzutreiben, und die hydraulische Maschine (9) als Hydraulikpumpe (10) betrieben wird, um die hydraulische Verdrängungseinheit (1) mit Druck zu beaufschlagen.
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 6, wobei die Energiespeichervorrichtung (11) einen Akkumulator umfasst, die elektrische Maschine (7) und die hydraulische Maschine (9) dafür ausgelegt sind, in einem Rückgewinnungsmodus betrieben zu werden, um Energie von der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) oder über diese zurückzugewinnen; wobei im Rückgewinnungsmodus die hydraulische Maschine (9) als Hydraulikmotor zum Antreiben der elektrischen Maschine (7) betrieben wird und die elektrische Maschine (7) als Generator betrieben wird, um die Energiespeichervorrichtung (11) zu laden.
Hydraulikkreis (100) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Energiespeichervorrichtung (11) elektrisch mit dem Elektromotor (8) verbunden ist, um den Elektromotor (8) anzutreiben.
Hydraulikkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die hydraulische Verdrängungseinheit (1) einen ersten Fluiddurchlass (5) und einen zweiten Fluiddurchlass (6) umfasst, wobei die hydraulische Maschine (9) selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung gebracht wird.
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 9, wobei die hydraulische Maschine (9) selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung gebracht wird über eines von: einer ersten Fluidleitung (17) zur Druckbeaufschlagung der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) über die erste Fluidleitung (17), und einer zweiten Fluidleitung (18) zur Rückgewinnung von Energie aus der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) oder über diese über die zweite Fluidleitung (18).
Hydraulikkreis (100) nach Anspruch 10, ferner ein erstes Ventil (19) zum selektiven Blockieren eines Fluidstroms zwischen der hydraulischen Maschine (9) und der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) durch die erste Fluidleitung (17) umfassend und ferner ein zweites Ventil (20) zum selektiven Blockieren eines Fluidstroms zwischen der hydraulischen Maschine (9) und der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) durch die zweite Fluidleitung (18) umfassend.
Hydraulikkreis (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Hydraulikpumpe (10) selektiv mit dem ersten Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) oder dem zweiten Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung gebracht wird.
Hydraulikkreis (100) nach den Ansprüchen 10 und 12, wobei die Hydraulikpumpe (10) über ein Steuerventil (21) selektiv mit dem ersten (5) und dem zweiten Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung gebracht wird, wobei das Steuerventil (21) zumindest umfasst: einen ersten Fluiddurchlass (21a), der mit der Hydraulikpumpe (10) und mit hydraulischen Maschine (9) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird, insbesondere durch die erste Fluidleitung (17); einen zweiten Fluiddurchlass (21b), der mit dem ersten Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) und mit der hydraulischen Maschine (9) in Fluidverbindung steht, insbesondere durch die zweite Fluidleitung (18); und einen dritten Fluiddurchlass (21c), der mit dem zweiten Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) in Fluidverbindung steht; wobei das Steuerventil (21) zumindest aufweist: eine erste Steuerposition (21'), in welcher der erste Fluiddurchlass (21a) des Steuerventils (21) mit dem zweiten Fluiddurchlass (21b) des Steuerventils (21) in Fluidverbindung steht und fluidtechnisch vom dritten Fluiddurchlass (21c) des Steuerventils (21) isoliert ist; und eine zweite Steuerposition (21"), in welcher der erste Fluiddurchlass (21a) des Steuerventils (21) mit dem dritten Fluiddurchlass (21c) des Steuerventils (21) in Fluidverbindung steht und fluidtechnisch vom zweiten Fluiddurchlass (21b) des Steuerventils (21) isoliert ist.
Hydraulikkreis (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der erste Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) und der zweite Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) über ein Einwegventil (25) selektiv miteinander in Fluidverbindung gebracht werden, wobei das Einwegventil (25) dafür ausgelegt ist, einen Fluidstrom vom zweiten Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) zum ersten Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) durch das Einwegventil (25) zuzulassen, und das Einwegventil (25) dafür ausgelegt ist, einen Fluidstrom vom ersten Fluiddurchlass (5) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) zum zweiten Fluiddurchlass (6) der hydraulischen Verdrängungseinheit (1) durch das Einwegventil (25) zu blockieren.
Hydraulikkreis (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: mindestens einen Lenkzylinder (31); mindestens einen Bremszylinder (33); mindestens einen Wärmetauscher (32), insbesondere einen Kühler zum Kühlen eines Schmiersystems; und eine weitere Hydraulikpumpe (30), die mit dem Elektromotor (8) antriebsmäßig in Eingriff steht oder selektiv antriebsmäßig in Eingriff gebracht wird; wobei die weitere Hydraulikpumpe (30) mit dem mindestens einen Lenkzylinder (31), mit dem mindestens einen Bremszylinder (33) und mit dem mindestens einen Wärmetauscher (32) in Fluidverbindung steht oder selektiv in Fluidverbindung gebracht wird.