EP2985469A1

EP2985469A1 - Hydrostatischer antrieb und ventilvorrichtung dafür

Info

Publication number: EP2985469A1
Application number: EP15177835.4A
Authority: EP
Inventors: Edwin Heemskerk; Werner Herfs; Michael Brand; Mircea Chima
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN105370642B; DE102014216031A1; CN105370642A; EP2985469B1

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb mit einem Hydrozylinder zum Bewegen einer Last, dessen einer Kolbenraum mit einer Hydromaschine und / oder einem hydraulischen Speicher zur Rekuperation von hydraulischer Energie des Hydrozylinders fluidisch verbindbar ist. Offenbart ist weiterhin eine Ventilvorrichtung für diesen Antrieb.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Ventilvorrichtung dafür gemäß dem Patentanspruch 16.
Zum Bewegen von Lasten, insbesondere zum Heben und Senken, wird ein Hydraulikzylinder, insbesondere ein doppeltwirkender, eingesetzt. Dieser hat zwei Kolbenräume, die von einem Kolben getrennt sind. An einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange greift eine äußere Last an. Grundsätzlich besteht dabei der Bedarf, Energie zurückgewinnen zu können. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn potentielle Energie einer gehobenen Last beim Absenken der Last wieder frei wird.
Zu diesem Zweck zeigt die Druckschrift DE 10 2012 003 320 A1 einen hydrostatischen Antrieb, bei dem vom Hydraulikzylinder abströmendes Druckmittel über eine Ventileinrichtung zu einem Hydromotor und / oder einem Hydrospeicher geleitet werden kann. Über den Hydromotor kann ein Lüfter eines Verbrennungsmotors angetrieben werden. Aus dem Hydrospeicher kann Druckmittel zum Antrieb dieses Hydromotors oder eines den Verbrennungsmotor unterstützenden Hydromotors entnommen werden. Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen über das abströmende Druckmittel oder den das Druckmittel aufnehmenden Hydrospeicher ein elektrischer Generator oder ein Schwungrad angetrieben werden können.
Nachteilig an diesem Konzept ist, dass die das abströmende Druckmittel aufnehmende hydraulische Komponente - also der Hydromotor oder der Hydrospeicher - auf den bei maximaler Bewegungsgeschwindigkeit des Hydrozylinders auftretenden, maximalen Druckmittelvolumenstrom ausgelegt sein muss. Gleiches gilt für eine Hydropumpe des Antriebs, die so auszulegen ist, dass über sie in den sich vergrößernden Kolbenraum des Hydrozylinders ausreichend Druckmittel nachgefördert werden kann. Obwohl der Fall maximaler Bewegungsgeschwindigkeit vergleichsweise selten auftritt, maximal etwa während der Hälfte der Betriebszeit, müssen also hydraulische Komponenten großer Kapazität vorgehalten werden, die einen Großteil ihrer Betriebszeit weit unterhalb ihrer Kapazität betrieben werden, was sich nachteilig auf die Kosten und den Wirkungsgrad des Antriebs auswirkt.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen hydrostatischen Antrieb zu schaffen, dessen Kosten verringert sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydrostatischen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Ein hydrostatischer Antrieb hat einen insbesondere doppeltwirkenden Hydrozylinder zum Bewegen, insbesondere zum Heben und / oder Senken, einer Last, und zur Rekuperation (Rückgewinnung) von hydraulischer Energie des Hydrozylinders eine Hydromaschine und / oder einen hydraulischen Speicher. Insbesondere kann über die Hydromaschine oder den Speicher potentielle und / oder kinetische Energie der Last zurückgewonnen werden. Im Hydrozylinder sind über einen Kolben zwei Kolbenräume fluidisch voneinander getrennt, von denen ein Kolbenraum über eine erste Druckmittelverbindung mit der Hydromaschine und / oder dem Speicher fluidisch verbindbar ist. Erfindungsgemäß weist der Antrieb eine zweite Druckmittelverbindung auf, über die der andere Kolbenraum mit einem Teilvolumenstrom eines vom einen Kolbenraum abströmenden Ablaufvolumenstroms versorgbar ist.
Die Bewegung der Last führt für eine Bewegungsrichtung des Kolbens zwangsweise zu einer Verkleinerung des einen Kolbenraums und zu einer Vergrößerung des anderen Kolbenraums. Das aus dem einen Kolbenraum abströmende Druckmittel wird erfindungsgemäß anteilig über die zweite Druckmittelverbindung in den sich vergrößernden anderen Kolbenraum geführt, was als Regeneration von Druckmittel bezeichnet werden kann. Eine Druckmittelquelle, insbesondere eine Hydropumpe oder ein Hydrospeicher, die zur Bereitstellung des Druckmittelvolumenstroms für den anderen Kolbenraum vorzusehen ist, muss daher nicht mehr auf den durch die maximale Bewegungsgeschwindigkeit bedingten, maximalen Druckmittelvolumenstrom des anderen Kolbenraums ausgelegt werden. Sie kann stattdessen kleiner ausgelegt sein, so dass Investitions- und Betriebskosten eingespart werden können und die Kosten für den Antrieb reduzierbar sind.
Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße zweite Druckmittelverbindung dann, wenn der Hydrozylinder derart ausgestaltet ist, dass der Teilvolumenstrom den zur Befüllung des anderen Kolbenraums notwendigen Druckmittelvolumenstrom komplett abdecken kann. Dann wird dieser Druckmittelvolumenstrom komplett aus dem Ablaufvolumenstrom regeneriert und es kann sogar in Betracht gezogen werden, ganz auf eine Hydropumpe zu verzichten.
Vorzugsweise ist die Hydromaschine über einen Hydromotor zur Wandlung hydraulischer Energie des Ablaufvolumenstroms in mechanische Energie ausgebildet. Die mechanische Energie kann beispielsweise zum Antrieb anderer Hydromaschinen, eines Generators, eines Schwungrades oder unterstützend zum Antrieb einer Verbrennungskraftmaschine genutzt werden. Die gespeicherte Druckmittelenergie kann bei Bedarf zeitlich versetzt genutzt werden.
Die Hydromaschine kann mit konstantem oder variablem Verdrängungsvolumen ausgestaltet sein.
Die Hydromaschine kann als Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben oder Schrägachsenbauweise ausgestaltet sein.
Die in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgeführte Hydromaschine kann mit durchschwenkbarer Schrägscheibe ausgestaltet sein, wodurch ein Wechsel zwischen Motor- und Pumpenbetrieb, oder umgekehrt, über ein einfaches Durchschwenken ermöglicht ist.
Eine Triebwelle der Hydromaschine kann mit einer Triebwelle eines Dieselmotors oder eines Elektromotors und / oder Generators oder mit einem mechanischen Schwungrad verbunden sein.
Um die erste Druckmittelverbindung, insbesondere den Ablaufvolumenstrom, steuern und / oder absperren zu können, weist die erste Druckmittelverbindung des Antriebs in einer bevorzugten Weiterbildung eine erste Drosseleinrichtung mit einem verstellbaren, ersten Öffnungsquerschnitt auf.
Die erste Drosseleinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass über sie eine im Wesentlichen leckagefreie Lasthaltung im nicht-betätigten Zustand des Hydrozylinders ermöglicht ist. Hierzu ist die erste Drosseleinrichtung vorzugsweise als ein stetig verstellbares 2/2-Wegesitzventil ausgestaltet, dass in eine Sperrstellung seines Ventilsitzes, insbesondere von einer Feder, vorgespannt und in Richtung von Durchflussstellungen betätigbar ist. Die Betätigung kann dabei hydraulisch, mechanisch oder elektromagnetisch ausgebildet sein.
Bevorzugt ist die erste Drosseleinrichtung direkt am Hydrozylinder befestigt, insbesondere angeflanscht, so dass es die Funktion einer Rohrbruchsicherung erfüllen kann.
Zur Bewegung der Last eignet sich vorzugsweise ein doppeltwirkender Differentialzylinder. Der Kolben hat dann eine Kolbenfläche, von der der eine Kolbenraum zumindest abschnittsweise begrenzt ist. Vorzugsweise ist diese größer als eine andere Kolbenfläche des Kolbens, von der der andere Kolbenraum zumindest abschnittsweise begrenzt ist. Über die zweite Druckmittelverbindung findet somit die Regeneration vom Kolbenraum mit der größeren Kolbenfläche hin zum Kolbenraum mit der kleineren Kolbenfläche statt.
Vorzugsweise ist der Hydrozylinder so ausgestaltet, dass der Kolben mit einer Kolbenstange verbunden ist, von der der andere Kolbenraum durchsetzt ist und an der die Last angreift.
Um die Menge des Teilvolumenstroms beeinflussen zu können, weist die zweite Druckmittelverbindung des Antriebs in einer bevorzugten Weiterbildung eine zweite Drosseleinrichtung mit einem in Abhängigkeit des Drucks des einen Kolbenraums verstellbaren, zweiten Öffnungsquerschnitt auf.
Besonders bevorzugt ist die zweite Drosseleinrichtung derart ausgestaltet, dass ihr Druckverlust, genauer gesagt ihr Strömungswiderstand, über den zweiten Öffnungsquerschnitt, zumindest wenn dieser weitgehend aufgesteuert ist, gering ist. Gleiches gilt vorzugsweise für den ersten Öffnungsquerschnitt der ersten Drosseleinrichtung. Damit kann über die zweite Druckmittelverbindung eine Druckverstärkung im einen Kolbenraum erreicht werden. Im einen Kolbenraum herrscht dann aufgrund der zweiten Druckmittelverbindung ein höherer Druck, als ohne die zweite Druckmittelverbindung. Zwar ist der Ablaufvolumenstrom um den Teilvolumenstrom reduziert, jedoch resultiert aus der genannten Druckverstärkung die Möglichkeit, die Hydromaschine und/oder den Hydrospeicher, kleiner auszulegen, da diese / dieser nun eine geforderte Leistung oder Speicherkapazität bei verringertem Volumenstrom aber erhöhtem Druck erbringen kann.
Je geringer der bereits erwähnte Strömungswiderstand der ersten Drosseleinrichtung ist, umso mehr Druckmittelenergie wird über den Ablaufvolumenstrom der Hydromaschine und / oder dem Hydrospeicher zugeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der zweite Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des ansteigenden Drucks des einen Kolbenraums zusteuerbar, wobei er in Abhängigkeit des absinkenden Drucks des einen Kolbenraums aufsteuerbar ist. Besonders bevorzugt ist der zweite Öffnungsabschnitt auf diese Weise in einem vorbestimmten Intervall des Drucks des einen Kolbenraums steuerbar. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit des Drucks des einen Kolbenraums und in Abhängigkeit von dessen Tendenz (Steigen, Sinken) der Teilvolumenstrom reduziert oder erhöht werden. Je mehr der zweite Öffnungsquerschnitt aufgesteuert ist, umso stärker wirkt sich die vorbesprochene Druckverstärkung aus. Bei voll zugesteuertem zweiten Öffnungsquerschnitt hingegen ist die erfindungsgemäße zweite Druckmittelverbindung komplett unterbrochen und die Druckverstärkung kommt zum Erliegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine vorgegebene Maximallast vom Hydrozylinder gehalten werden kann.
Bevorzugt erfolgt die Steuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts, indem die zweite Drosseleinrichtung - insbesondere ein Drossel- oder Ventilkörper der zweiten Drosseleinrichtung - in Richtung einer Zusteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts mit dem Druck des einen Kolbenraums belastet ist.
Dem entgegen wirkend weist die zweite Drosseleinrichtung in einer bevorzugten Weiterbildung ein unteres oder minimales Druckäquivalent auf, mit dem sie - insbesondere ihr Drossel- oder Ventilkörper - in Richtung einer Aufsteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts belastet ist. Über das untere Druckäquivalent kann somit ein Grenzwert des Drucks des einen Kolbenraums vorgegeben werden, ab dem die zweite Druckmittelverbindung zugesteuert wird. Ab diesem Schließpunkt, beziehungsweise ab Erreichen dieses Grenzwertes wird der zweite Öffnungsquerschnitt mit steigendem Druck reduziert, wodurch der Teilvolumenstrom angedrosselt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Drosseleinrichtung derart gestaltet, dass der zweite Öffnungsquerschnitt im Wesentlichen konstant aufgesteuert ist, solange der Druck des einen Kolbenraums kleiner ist als das untere Druckäquivalent. In diesem Druckbereich hat folglich der Druck des einen Kolbenraums keinen Einfluss auf den Teilvolumenstrom und die genannten Vorteile der Druckverstärkung und der Reduzierung des von der Hydropumpe zu liefernden Druckmittelvolumenstroms kommen voll zur Geltung.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der zweite Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des ansteigenden Drucks des einen Kolbenraums im Wesentlichen proportional zusteuerbar, solange der Druck des einen Kolbenraums oberhalb des unteren Druckäquivalents ansteigt. So wird die Druckverstärkung in diesem Druckbereich zunehmend reduziert.
In einer bevorzugten Weiterbildung hat die zweite Drosseleinrichtung ein oberes Druckäquivalent, mit dem sie in Richtung einer Aufsteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts belastet ist und welches größer ist als das erste Druckäquivalent. Über das obere Druckäquivalent ist für den Druck des einen Kolbenraums somit ein Schließdruck festgelegt, ab dem der zweite Öffnungsquerschnitt geschlossen und der Teilvolumenstrom etwa zu Null geworden und dadurch die Druckverstärkung abgeschaltet ist.
Für den Fall, dass der zweite Öffnungsquerschnitt zugesteuert ist, wenn der Druck des einen Kolbenraums gleich oder größer dem oberen Druckäquivalent ist, ergibt sich das Problem, dass bei anhaltender Bewegung des Kolbens Kavitation im anderen Kolbenraum droht. Für diesen Fall ist im Antrieb entweder die vorbesprochene Hydropumpe vorgesehen, die diesen benötigten Nachsaugvolumenstrom bereitstellen kann und dadurch Kavitation im anderen Kolbenraum verhindert, oder der Antrieb ist derart weitergebildet, dass die zweite Drosseleinrichtung einen Restöffnungsquerschnitt aufweist, sobald der Druck des einen Kolbenraums etwa gleich dem oberen Druckäquivalent oder größer als dieses ist. Über den Restöffnungsquerschnitt kann dann immer ausreichend Druckmittel in den anderen, sich vergrößernden Kolbenraum nachgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist der Restöffnungsquerschnitt derart ausgelegt, dass sich im anderen Kolbenraum ein Druck einstellt, der begrenzt ist und über den Kavitation verhindert ist.
Vorrichtungstechnisch einfach ist das untere und/oder das obere Druckäquivalent über zumindest eine Druckfeder ausgebildet. Besonders bevorzugt sind beide genannten Druckäquivalente über eine gemeinsame Feder ausgebildet. Es sind natürlich auch andere technische Lösungen, beispielsweise elektromagnetische oder hydraulische, zur Aufbringung des oder der Druckäquivalente möglich.
Vorzugsweise ist das untere Druckäquivalent und/oder das obere Druckäquivalent einstellbar ausgestaltet. Im Falle der Feder ist vorzugsweise die Federkraft einstellbar.
Alternativ oder ergänzend zum genannten Restöffnungsquerschnitt kann die vorbesprochene Kavitation im anderen Kolbenraum verhindert werden, indem in einer Weiterbildung des Antriebs eine parallel zur zweiten Druckmittelverbindung geschaltete, dritte Druckmittelverbindung vorgesehen ist. Auch über diese ist der andere Kolbenraum mit einem Teilvolumenstrom des Ablaufvolumenstroms des einen Kolbenraums versorgbar.
Die dritte Druckmittelverbindung hat vorzugsweise eine dritte Drosseleinrichtung mit einem in Abhängigkeit des Drucks des anderen Kolbenraums verstellbaren, dritten Öffnungsquerschnitt. Über die dritte Drosseleinrichtung ist somit die dritte Druckmittelverbindung steuerbar.
Der dritte Öffnungsquerschnitt ist vorzugsweise in Abhängigkeit des ansteigenden Drucks des anderen Kolbenraums zusteuerbar, wobei der dritte Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des absinkenden Drucks des anderen Kolbenraums aufsteuerbar ist.
Die dritte Drosseleinrichtung hat in einer bevorzugten Weiterbildung ein insbesondere verstellbares Druckäquivalent, mit dem die dritte Drosseleinrichtung, insbesondere ein Drosselkörper oder Ventilkörper, in Richtung einer Aufsteuerung des dritten Öffnungsquerschnitts belastet ist. Auf diese Weise ist Kavitation im anderen Kolbenraum verhindert und der Druck im anderen Kolbenraum ist kleiner gleich dem eingestellten dritten Druckäquivalent, sodass auch die Druckverstärkung begrenzt ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Hydropumpe Teil des hydrostatischen Antriebs. Insbesondere dann, wenn der Teilvolumenstrom nicht ausreicht, den Druckmittelvolumenstrom, der vom sich vergrößernden anderen Kolbenraum benötigt wird, abzudecken.
Der Antrieb findet vorzugsweise in einer mobilen Arbeitsmaschine Verwendung, da sich dort aufgrund stets knappen Bauraums und der Anforderung eines geringen Fahrzeuggewichts die erfindungsbedingte Baugrößenreduktion der Hydromaschine (aufgrund der beschriebenen Druckverstärkung) und der Hydropumpe (aufgrund der beschriebenen Regeneration) als besonders vorteilhaft erweisen.
Eine Ventilvorrichtung für einen hydrostatischen Antrieb, der nach wenigstens einem der Aspekte der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, ist vorzugsweise in kompakter Block- oder Scheibenbauweise ausgeführt. Sie hat die zweite Drosseleinrichtung mit dem in Abhängigkeit des Drucks des einen Kolbenraums verstellbaren, zweiten Öffnungsquerschnitt, über die die zweite Druckmittelverbindung steuerbar ist. Zudem hat sie die zur zweiten Druckmittelverbindung parallel geschaltete, dritte Druckmittelverbindung, über die der andere Kolbenraum mit dem Teilvolumenstrom des Ablaufvolumenstroms versorgbar ist. Inder dritten Druckmittelverbindung ist die dritte Drosseleinrichtung mit dem in Abhängigkeit des Drucks des anderen Kolbenraums verstellbaren, dritten Öffnungsquerschnitt vorgesehen, über die die dritte Druckmittelverbindung steuerbar ist.
Im Folgenden werden fünf Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung eines derartigen Antriebs näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs,
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs,
Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs, und
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung eines hydrostatischen Antriebs.

Es gilt, dass Komponenten, die über die Ausführungsbeispiele hinweg gleich ausgeführt sind, mit gleichbleibenden Bezugszeichen versehen sind.
Gemäß Figur 1 hat ein hydrostatischer Antrieb 1 einen Hydrozylinder 2 zum Bewegen, insbesondere zum Heben und/oder Senken einer Last, die durch die Bezeichnung F_L symbolisiert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hebt und senkt der Hydrozylinder die Last F_L unter Einwirkung der Schwerkraft, die in Figur 1 in Richtung des mit x bezeichneten Pfeils wirkt. Der Hydrozylinder 2 hat einen Kolben 4, der in einem Gehäuse 6 des Hydrozylinders 2 axial verschieblich aufgenommen ist. Vom Kolben 4 ist im Gehäuse 6 ein zylinderbodenseitiger Kolbenraum 8 von einem kolbenstangenseitigen, anderen Kolbenraum 10 fluidisch getrennt. Der Kolben 4 hat zylinderbodenseitig eine Kolbenfläche 12, von der der eine Kolbenraum 8 abschnittsweise begrenzt ist, und andererseits eine andere Kolbenfläche 14, von der der andere Kolbenraum 10 abschnittsweise begrenzt ist. Auf der Seite der anderen Kolbenfläche 14 ist am Kolben 4 eine Kolbenstange 16 angesetzt, an der die Last F_L angreift.
Über eine erste Druckmittelverbindung 18 ist der eine Kolbenraum 8 mit einem Arbeitsanschluss einer als Hydromotor mit verstellbarem Schluckvolumen ausgebildeten, Hydromaschine 20 verbunden. Die erste Druckmittelverbindung 18 weist eine erste Drosseleinrichtung 22 mit einem verstellbaren, ersten Öffnungsquerschnitt auf, über die die erste Druckmittelverbindung 18 auf- und zusteuerbar ist. Der andere Kolbenraum 10 ist mit einem Arbeitsanschluss einer mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestalteten Hydropumpe 24 in verbunden.
Der hydrostatische Antrieb 1 weist zusätzlich eine von der ersten Druckmittelverbindung abzweigende, zweite Druckmittelverbindung 26 auf, über die der eine Kolbenraum 8 mit dem anderen Kolbenraum 10 für einen sogenannten Regenerationsbetrieb fluidisch verbindbar ist. Im Regenrationsbetrieb erfolgt die Druckmittelversorgung des anderen Kolbenraums 10 teilweise oder vollständig über die zweite Druckmittelverbindung 26, das heißt über einen Teilvolumenstrom des vom einen Kolbenraum 8 abströmenden Ablaufvolumenstroms. In der zweiten Druckmittelverbindung 26 ist dabei eine als einfache Verstelldrossel ausgebildete zweite Drosseleinrichtung 28 angeordnet. Die zweite Drosseleinrichtung 28 ist im ersten Ausführungsbeispiel als einfache Verstelldrossel ausgebildet. Über sie kann die zweite Druckmittelverbindung 26 und damit der Teilvolumenstrom gesteuert werden.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 101, der im Wesentlichen demjenigen gemäß Figur 1 gleicht, und als alleinigen Unterschied anstatt des Hydromotors einen Hydrospeicher 121 aufweist. Über diesen ist die Druckmittelenergie des ganzen oder des um den Teilvolumenstrom reduzierten Ablaufvolumenstroms zur späteren Verwendung gespeichert werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 201 gemäß Figur 3 entspricht weitgehend demjenigen gemäß Figur 1. Abweichend davon ist in der zweiten Druckmittelverbindung 26 eine zweite Drosseleinrichtung 228 angeordnet, die einen in Abhängigkeit des Drucks p_A verstellbaren, zweiten Öffnungsquerschnitt A₂ aufweist, und über die die zweite Druckmittelverbindung 26 auf- und zusteuerbar ist.
Die zweite Drosseleinrichtung 228 ist im Ausführungsbeispiel als proportional verstellbares 2/2-Wegeventil ausgestaltet. Ein Ventilkörper der zweiten Drosseleinrichtung 228 ist in Richtung einer Sperrstellung 228b mit dem Druck p_A belastet ist, wohingegen er in Richtung einer Öffnungsstellung 228a mit einem Druckäquivalent, nämlich der Federkraft einer Feder 230, belastet ist. Befindet sich der Ventilkörper in der Öffnungsstellung 228a, so wirkt die Feder 230 mit einer Federkraft auf den Ventilkörper, die einem unteren Druckäquivalent p_Au entspricht. Befindet sich der Ventilkörper in der Sperrstellung 228b, so wirkt die Feder 230 mit einer Federkraft, die einem oberen Druckäquivalent p_Ao entspricht.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 nutzt den Vorteil der beiden vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele (Regenerationslösung) und kombiniert diesen mit einer höheren Verwertung der aus dem einen Kolbenraum 8 rekuperierbaren Druckmittelenergie. Dabei ist die zweite Drosseleinrichtung 228 derart ausgestaltet, dass ihr Druckverlust gering ist. Insbesondere bei voll aufgesteuerter erster Drosseleinrichtung 22 ist dann der Druck p_B im anderen Kolbenraum 10 etwa gleich dem Druck p_A im einen Kolbenraum 8. Hieraus ergibt sich, dass sich der Druck p_A weiter erhöht. Es entsteht im Folgenden ein neues Kräftegleichgewicht am Kolben 4 mit einem verglichen zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen erhöhten Druck p_A. In Abhängigkeit eines Flächenverhältnisses i der einen Kolbenfläche 12 zur anderen Kolbenfläche 14 von 2:1 kann mit diesem Ansatz der Ablaufvolumenstrom hin zum Hydromotor 20 etwa halbiert und der Druck p_A, und damit der Arbeitsdruck des Hydromotors 20, etwa verdoppelt werden. Damit ist die dem Hydromotor 20 über den Ablaufvolumenstrom zugeführte hydraulische Druckmittelenergie zwar etwa gleich groß wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, jedoch ist der Hydromotor 20 halb so groß auslegbar. Dadurch ist der Antrieb 201 besonders kostengünstig.
Es sei darauf hingewiesen, dass die beschriebene Druckerhöhung oder Druckverstärkung des Drucks p_A in Realität etwas niedriger ausfällt, da an Steuerkanten der ersten Drosseleinrichtung 22 aber auch der zweiten Drosseleinrichtung 28 ein realer Druckverlust vorliegt.
Mit der genannten Druckverstärkung des Drucks p_A ergibt sich generell die Problematik, dass für einen maximal zulässigen Druck p_Amax (beispielsweise 380 bar) nur eine verringerte Last F_L gehalten werden kann. Ohne die beschriebene Druckverstärkung ergibt sich das Verhältnis F_Lmax = p_Amax * A₁₂, mit A₁₂ als Flächeninhalt der einen Kolbenfläche 12. Hingegen ergibt sich mit der Druckverstärkung der Zusammenhang F_Lmax = p_Amax * (A₁₂ - A₁₄), mit A₁₄ als Flächeninhalt der anderen Kolbenfläche 14.
Um die geforderte maximale Last F_Lmax halten zu können, wird die zweite Druckmittelverbindung 26 in Abhängigkeit des Drucks p_A im einen Kolbenraum 8, wenn dieser über einen bestimmten Schwellwert ansteigt, zugesteuert. Hierzu dient die vorbeschriebene Belastung des Ventilkörpers der zweiten Drosseleinrichtung 228 in Richtung der Sperrstellung 228b mit dem vom einen Kolbenraum 8 abgegriffenen Druck p_A. Der Abgriff erfolgt dabei über eine Lastmeldeleitung 232, die zwischen dem einen Kolbenraum 8 und der ersten Drosseleinrichtung 22 von der ersten Druckmittelverbindung 18 abzweigt. Das Schließen der zweiten Druckmittelverbindung 26, beziehungsweise des zweiten Öffnungsquerschnitts A₂, beginnt gemäß dem Diagramm in Figur 3 rechts ab einem Schließpunkt, zu dem der Druck p_A im einen Kolbenraum 8 den Wert des unteren Druckäquivalents p_Au erreicht. Das Schließen erfolgt bis zum Erreichen des oberen Druckäquivalents p_Ao proportional zum ansteigenden Druck p_A. Dann ist der zweite Öffnungsquerschnitt A₂ = 0 und es erfolgt weder die beschriebene Regeneration noch die Druckverstärkung. Zwischen den beiden Druckäquivalenten p_Au und p_Ao nehmen diese beiden Effekte mit steigendem Druck p_A stetig ab.
Die Werte für die Druckäquivalente p_Au, p_Ao, die das Steuerverhalten der zweiten Drosseleinrichtung 28 bestimmen, hängen vom maximal zulässigen Druck p_Amax im einen Kolbenraum 8 ab. Zudem spielt eine Betriebsstrategie eine Rolle. Damit der Druck p_A trotz der vorbeschriebenen Druckverstärkung bei jeglicher Last F_L den Wert p_Amax nicht überschreitet, kann in einer einfachen Auslegung das obere Druckäquivalent p_Ao wie folgt bestimmt werden: $p_{Ao} = p_{Amax} / (1 - 1 / i), mit i als dem Flächenverhältnis der einen Kolbenfläche 12 zur anderen Kolbenfläche 14 und mit p_{Amax} = p_{Lmax} / A_{12}$
Theoretisch könnte p_Ao auch auf den Wert des maximalen Drucks p_Amax ausgelegt sein. Auch dann kann der Druck p_A im einen Kolbenraum 8 statisch den Wert p_Amax nicht übersteigen, da der Druck p_A über die Lastmeldeleitung 232 direkt im einen Kolbenraum 8 abgegriffen und an die zweite Drosseleinrichtung 228 gemeldet wird. Allerdings erweist sich diese Art der Auslegung für p_Ao in dynamischen Lastfällen als kritisch.
Nimmt man als maximalen Druck pAmax beispielsweise 380 bar und als Flächenverhältnis i = 2 an, ergibt sich für das obere Druckäquivalent p_Ao der Wert 190 bar. Im Folgenden wird das untere Druckäquivalent p_Au so ausgelegt, dass die zweite Drosseleinrichtung 228 ein stabiles Regelverhalten hat. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies dann gegeben, wenn p_Au etwa 50 bar niedriger als p_Ao ist (140 bar).
Abweichend von der geschilderten einfachen Betrachtungsweise kann für das obere Druckäquivalent p_Ao ein höherer Wert angenommen werden, da aufgrund einer Motorsteuerung des Hydromotors 20 der Druck stromabwärts der ersten Drosseleinrichtung 22 nicht gleich dem Druck p_A ist. Dies liegt zum Einen daran, dass der Ablaufvolumenstrom über die erste Drosseleinrichtung 22 ein Druckgefälle benötigt/erzeugt. Zum Anderen strömt über den Hydromotor 20 Druckmittel ab, so dass mechanische Energie an eine Welle 34 abgegeben werden kann. Damit die Regelung stabil ist und im Falle einer gewollten Bewegung des Kolbens 4 diese stetig erfolgen kann, ist für den Hydromotor 20 ein Arbeitsdruck p_M vorzusehen, der unterhalb des Druckes p_A liegt.
Eine Schwäche des in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist, dass zu Betriebszeitpunkten, zu denen die Last F_L so groß ist, dass die zweite Drosseleinrichtung 228 zugesteuert ist (Sperrstellung 228b), der Zulaufvolumenstrom in den anderen Kolbenraum 10 von anderer Stelle geliefert werden muss. Hierzu könnte prinzipiell die vorgehaltene Hydropumpe 24 dienen. Insbesondere bei mobilen Arbeitsmaschinen, beispielsweise Baumaschinen, ist im Parallelbetrieb mehrerer hydraulischer Verbraucher der Druckmittelvolumenstrom der Hydropumpe 24 jedoch ein limitierender Faktor. Kommt bei deren maximaler Auslastung noch der vom anderen Kolbenraum 10 benötigte Nachsaugvolumenstrom hinzu und ist die zweite Druckmittelverbindung 26 wie erwähnt zugesteuert, kann es dazu kommen, dass aufgrund der mangelnden Druckmittelversorgung Kavitation im anderen Kolbenraum 10 entsteht und/oder die anderen hydraulischen Verbraucher aufgrund von Unterversorgung durch die Hydropumpe 24 langsamer werden.
Um dem abzuhelfen, ist der Antrieb 201 gemäß einem in Figur 4 gezeigten, vierten Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 301 um eine dritte Druckmittelverbindung 340 ergänzt, die parallel zur zweiten Druckmittelverbindung 26 geschaltet ist und von der ersten Druckmittelverbindung zwischen der ersten Drosseleinrichtung 22 und dem Arbeitsanschluss des Hydromotors 20 abzweigt.
In der dritten Druckmittelverbindung 340 ist eine dritte Drosseleinrichtung 342 vorgesehen, deren dritter Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des Drucks p_B des anderen Kolbenraums 10 steuerbar ist. Genauer gesagt ist ein Ventilkörper der dritten Drosseleinrichtung 342 in Richtung einer Öffnungsstellung der dritten Drosseleinrichtung 342 mit dem Druckäquivalent einer Feder 344 und in Richtung einer Schließstellung mit dem Druck p_B des anderen Kolbenraums 10 belastet. Mit sinkendem Druck p_B wird der dritte Öffnungsquerschnitt somit von der Feder 344 aufgesteuert, wodurch die vorbeschriebene Kavitation durch Unterversorgung des anderen Kolbenraums 10 verhindert ist. Die dritte Drosseleinrichtung 342 kann auch als Nachsaugventil bezeichnet werden. Über die Druckbeaufschlagung ihres Ventilkörpers in Richtung einer Schließstellung wird zudem verhindert, dass der Druck p_B im anderen Kolbenraum 10 aufgrund des über die dritte Druckmittelverbindung 340 zuströmenden Teilvolumenstroms über das Druckäquivalent der Feder 344 hinaus ansteigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Federkraft / das Druckäquivalent der Feder 344 einstellbar und auf etwa 10 bar eingestellt.
Figur 5 zeigt ein auf dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 basierendes, fünftes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 401. Bei diesem ist die Nachsaugung, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 über die dritte Druckmittelverbindung ermöglicht wird, auf alternative Weise gelöst. Zur Vereinfachung der Beschreibung des hydrostatischen Antriebs 401 wird an dieser Stelle nur auf die Unterschiede zum dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eingegangen.
Eine zweite Drosseleinrichtung 428 der zweiten Druckmittelverbindung weist anstatt der Sperrstellung 228b gemäß Figur 3 eine konstruktiv bedingte Restöffnungsstellung b mit einem Restöffnungsquerschnitt A_2R auf. Somit kann in jedem Fall ein Nachsaugen des Teilvolumenstroms in den anderen Kolbenraum 10 über die zweite Druckmittelverbindung 26 erfolgen, weshalb die Hydropumpe 24 nicht mehr mit dem anderen Kolbenraum 10 in Druckmittelverbindung ist / sein muss. Der Restöffnungsquerschnitt A_2R ist derart dimensioniert, dass über ihn ausreichend Druckmittel in den anderen Kolbenraum 10 strömen kann, in diesem jedoch kein Druckaufbau erfolgt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dimensionierung so gewählt, dass sich im anderen Kolbenraum 10 der Druck p_B ≤ 10 bar einstellt. Dieser reicht aus, um Kavitation im anderen Kolbenraum 10 aufgrund von dynamischen Bewegungseffekten des Kolbens 4 zu verhindern.
Um sicherzustellen, dass kein Druckmittel vom anderen Kolbenraum 10 (Stangenseite) hin zum einen Kolbenraum 8 (Bodenseite) strömen kann, ist in der zweiten Druckmittelverbindung 26 zwischen dem anderen Kolbenraum 10 und der zweiten Drosseleinrichtung 428 ein hin zur zweiten Drosseleinrichtung 428 schließendes Rückschlagventil 446 verbaut.
Für den Fall, dass der Hydromotor 20 auch in den Pumpenbetrieb übergehen kann, ist sichergestellt, dass von ihm Druckmittel nicht direkt in den anderen Kolbenraum 10, sondern in den einen Kolbenraum 8 gefördert wird, indem in der ersten Druckmittelverbindung 18 ein zur zweiten Druckmittelverbindung 26 hin schließendes Rückschlagventil 448 vorgesehen ist.
Abweichend von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist die Hydropumpe 24 im fünften Ausführungsbeispiel mit dem einen Kolbenraum 8 und nicht mit dem anderen Kolbenraum 10 fluidisch verbunden.
Figur 6 zeigt eine Ventilvorrichtung 354, die die zweite Drosseleinrichtung 228 und die dritte Drosseleinrichtung 342 zusammenfasst. Die Ventilvorrichtung 354 ist auch im vierten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 verbaut. Sie ist als Ventilblock mit den Anschlüssen L, A, X, und B1 und B2 ausgeführt. Über den Anschluss A sind die zweite und dritte Druckmittelverbindung 26 und 340 mit der ersten Druckmittelverbindung 18 gemäß Figur 4 verbindbar. Über den Anschluss X ist die Lastmeldeleitung 232 mit dem einen Kolbenraum 8 fluidisch verbindbar. Über den Anschluss B1 ist der andere Kolbenraum anbindbar und über den Anschluss B2 ist die Hydropumpe 24 anbindbar. Die Ventilvorrichtung 354 fasst auf kompakte Weise die Funktionen der lastdruckabhängigen Regeneration von Druckmittel vom einen Kolbenraum 8 in den anderen Kolbenraum 10 über die zweite Drosseleinrichtung 228 und die druckgesteuerte Nachsaugung in den anderen Kolbenraum 10 über die dritte Drosseleinrichtung 342 zusammen. Zusätzlich zur Darstellung gemäß Figur 4 ist ein Leckageanschluss L der Ventilvorrichtung 354 gezeigt, über den Federräume (nicht dargestellt) der Federn 230 und 344 mit einem Niederdruckniveau verbindbar sind.
Um die Druckmittelversorgung des einen Kolbenraums 8 unabhängig vom Verdrängungsvolumen der Hydropumpe 24 steuern zu können, weist der hydrostatische Antrieb 401 eine vierte Drosseleinrichtung 450 auf, über die ein Öffnungsquerschnitt der Druckmittelverbindung der Hydropumpe 24 mit dem einen Kolbenraum 8 steuerbar ist. Ein weiteres Rückschlagventil 452 zwischen der vierten Drosseleinrichtung 450 und dem Arbeitsanschluss der Hydropumpe 24 ist vorgesehen, um einerseits den Ablauf von Druckmittel aus dem einen Kolbenraum 8 hin zur Hydropumpe 24 zu unterbinden und andererseits die Druckmittelversorgung des einen Kolbenraums 8 durch die Hydropumpe 24 zu ermöglichen.
Die genannten Druckmittelverbindungen können jeweils als Druckmittelleitung oder Druckmittelkanal ausgebildet sein.
Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb mit einem doppeltwirkenden Hydrozylinder zum Bewegen einer Last, wobei einer der Kolbenräume des Hydrozylinders zur Rekuperation von insbesondere potentieller Energie der Last mit einer Hydromaschine, insbesondere einem Hydromotor, und / oder einem hydraulischen Speicher fluidisch verbindbar ist. Dabei weist der Hydrozylinder eine zweite Druckmittelverbindung auf, über die der andere Kolbenraum zur Regeneration von Druckmittelenergie mit einem Teilvolumenstrom eines vom einen Kolbenraum abströmenden Ablaufvolumenstroms versorgbar ist.
Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb mit einem Hydrozylinder zum Bewegen einer Last, dessen einer Kolbenraum mit einer Hydromaschine und / oder einem hydraulischen Speicher zur Rekuperation von hydraulischer Energie des Hydrozylinders fluidisch verbindbar ist.
Offenbart ist weiterhin eine Ventilvorrichtung für einen derartigen Antrieb.

Bezugszeichenliste

1; 101; 201; 301; 401: hydrostatischer Antrieb
2: Hydrozylinder
4: Kolben
6: Zylindergehäuse
8: ein Kolbenraum
10: anderer Kolbenraum
12: eine Kolbenfläche
14: andere Kolbenfläche
16: Kolbenstange
18: erste Druckmittelverbindung
20: Hydromaschine
22: erste Drosseleinrichtung
24: Hydropumpe
26: zweite Druckmittelverbindung
28; 228; 428: zweite Drosseleinrichtung
228a: Öffnungssstellung
228b: Sperrstellung
230: Feder
232: Lastmeldeleitung
34: Welle
340: dritte Druckmittelverbindung
342: dritte Drosseleinrichtung
344: Feder
354: Ventilvorrichtung
446, 448: Rückschlagventil
450: vierte Drosseleinrichtung
452: Rückschlagventil
A₂: zweiter Öffnungsquerschnitt
A_2R: zweiter Restöffnungsquerschnitt
p_A: Druck im einen Kolbenraum
p_Amax: maximal zulässiger Druck im einen Kolbenraum
p_B: Druck im anderen Kolbenraum
p_Au: unteres Druckäquivalent
P_Ao: oberes Druckäquivalent

Claims

Hydrostatischer Antrieb mit einem Hydrozylinder (2) zum Bewegen, insbesondere zum Heben und / oder Senken, einer Last (F_L), und mit einer Hydromaschine (20) und / oder einem hydraulischen Speicher (121) zur Rekuperation von hydraulischer Energie des Hydrozylinders (2), insbesondere von potentieller und / oder kinetischer Energie der Last (F_L), wobei im Hydrozylinder (2) über einen Kolben (4) zwei Kolbenräume (8, 10) fluidisch voneinander getrennt sind, von denen ein Kolbenraum (8) über eine erste Druckmittelverbindung (18) mit der Hydromaschine (20) und / oder dem Speicher (121) fluidisch verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine zweite Druckmittelverbindung (26), über die der andere Kolbenraum (10) mit einem Teilvolumenstrom eines vom einen Kolbenraum (8) abströmenden Ablaufvolumenstroms versorgbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1, mit einer ersten Drosseleinrichtung (22) mit einem verstellbaren, ersten Öffnungsquerschnitt, über die die erste Druckmittelverbindung (18) steuerbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2 mit einer zweiten Drosseleinrichtung (28; 228; 428) mit einem in Abhängigkeit des Drucks (p_A) des einen Kolbenraums (8) verstellbaren, zweiten Öffnungsquerschnitt (A₂), über die die zweite Druckmittelverbindung (26) steuerbar ist.
Antrieb nach Anspruch 3, wobei die zweite Drosseleinrichtung (28; 228; 428) derart ausgestaltet ist, dass ihr Druckverlust gering ist.
Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A₂) in Abhängigkeit des ansteigenden Drucks (p_A) des einen Kolbenraums (8) zusteuerbar ist, und / oder wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A₂) in Abhängigkeit des absinkenden Drucks (p_A) des einen Kolbenraums (8) aufsteuerbar ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die zweite Drosseleinrichtung (28; 228; 428) in Richtung einer Zusteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts (A₂) mit dem Druck (p_A) des einen Kolbenraums (8) belastet ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 6 mit einem unteren Druckäquivalent (p_Au), mit dem die zweite Drosseleinrichtung (28; 228; 428) in Richtung einer Aufsteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts (A₂) belastet ist.
Antrieb nach Anspruch 7, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A₂) im Wesentlichen konstant aufgesteuert ist, wenn der Druck (p_A) des einen Kolbenraums (A) kleiner ist als das untere Druckäquivalent (p_Au).
Antrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A₂) in Abhängigkeit des Drucks (p_A) des einen Kolbenraums (8) im Wesentlichen proportional zusteuerbar ist, wenn der Druck (p_A) des einen Kolbenraums (8) oberhalb des unteren Druckäquivalents (p_Au) ansteigt.
Antrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einem oberen Druckäquivalent (p_Ao), mit dem die zweite Drosseleinrichtung (228; 428) in Richtung einer Aufsteuerung des zweiten Öffnungsquerschnitts (A₂) belastet ist und das größer ist als das untere Druckäquivalent (p_Au).
Antrieb nach Anspruch 10, wobei über das obere Druckäquivalent (p_Ao) der Druck (p_A) des einen Kolbenraums (8) begrenzbar ist.
Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zweite Drosseleinrichtung (428) einen Restöffnungsquerschnitt (A_2R) aufweist, wenn der Druck (p_A) des einen Kolbenraums (8) etwa gleich dem oberen Druckäquivalent (p_Ao) oder größer ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer zur zweiten Druckmittelverbindung (26) parallel geschalteten, dritten Druckmittelverbindung (340), über die der andere Kolbenraum (10) mit einem Teilvolumenstrom des Ablaufvolumenstroms versorgbar ist, und mit einer dritten Drosseleinrichtung (342) mit einem in Abhängigkeit des Drucks (p_A) des anderen Kolbenraums (10) verstellbaren, dritten Öffnungsquerschnitt, über die die dritte Druckmittelverbindung (340) steuerbar ist.
Antrieb nach Anspruch 13, wobei der dritte Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des ansteigenden Drucks (p_A) des anderen Kolbenraums (10) zusteuerbar ist, und / oder wobei der dritte Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des absinkenden Drucks (p_A) des anderen Kolbenraums (10) aufsteuerbar ist.
Antrieb nach Anspruch 13 oder 14 mit einem insbesondere einstellbaren Druckäquivalent (344), mit dem die dritte Drosseleinrichtung (342) in Richtung einer Aufsteuerung des dritten Öffnungsquerschnitts belastet ist.
Ventilvorrichtung, insbesondere in Block- oder Scheibenbauweise, für einen hydrostatischen Antrieb (1:101; 201; 301; 401), der gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, mit einer zweiten Drosseleinrichtung (28; 228; 428) mit einem in Abhängigkeit des Drucks (p_A) des einen Kolbenraums (8) verstellbaren, zweiten Öffnungsquerschnitt (A₂), über die die zweite Druckmittelverbindung (26) steuerbar ist, und mit einer zur zweiten Druckmittelverbindung (26) parallel geschalteten, dritten Druckmittelverbindung (340), über die der andere Kolbenraum (10) mit einem Teilvolumenstrom des Ablaufvolumenstroms versorgbar ist, und mit einer dritten Drosseleinrichtung (342) mit einem in Abhängigkeit des Drucks (p_A) des anderen Kolbenraums (10) verstellbaren, dritten Öffnungsquerschnitt, über die die dritte Druckmittelverbindung (340) steuerbar ist