EP2985469A1 - Hydrostatischer antrieb und ventilvorrichtung dafür - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a hydraulic drive according to the preamble of patent claim 1 and a valve device therefor according to claim 16.
- a hydraulic cylinder for moving loads, in particular for lifting and lowering, a hydraulic cylinder, in particular a double-acting, is used.
- This has two piston chambers, which are separated by a piston.
- An external load acts on a piston rod connected to the piston.
- there is a need to be able to recover energy This can be done, for example, when potential energy of an elevated load when lowering the load is free again.
- the document shows DE 10 2012 003 320 A1 a hydrostatic drive in which hydraulic fluid flowing from the hydraulic cylinder can be passed via a valve device to a hydraulic motor and / or a hydraulic accumulator.
- a fan of an internal combustion engine can be driven.
- Pressure medium for driving this hydraulic motor or a hydraulic motor assisting the internal combustion engine can be taken from the hydraulic accumulator.
- Solutions are also known in which an electric generator or a flywheel can be driven via the outflowing pressure medium or the hydraulic accumulator receiving the pressure medium.
- a disadvantage of this concept is that the hydraulic component receiving the outflowing pressure medium-that is to say the hydraulic motor or the hydraulic accumulator-must be designed for the maximum pressure medium volume flow occurring at the maximum speed of movement of the hydraulic cylinder.
- maximum movement speed comparatively rarely occurs, a maximum of about half the operating time, so must large capacity hydraulic components are kept, which are operated much of their operating time well below their capacity, which adversely affects the cost and efficiency of the drive.
- the invention is based on the object to provide a generic hydrostatic drive, the cost is reduced.
- a hydrostatic drive has a particularly double-acting hydraulic cylinder for moving, in particular for lifting and / or lowering, a load, and for recuperation (recovery) of hydraulic energy of the hydraulic cylinder, a hydraulic machine and / or a hydraulic accumulator.
- potential and / or kinetic energy of the load can be recovered via the hydraulic machine or the storage.
- the hydraulic cylinder two piston chambers are fluidly separated from each other by a piston, of which a piston chamber is fluidically connectable to the hydraulic machine and / or the reservoir via a first pressure medium connection.
- the drive has a second pressure medium connection, via which the other piston space can be supplied with a partial volume flow of a discharge volume flow flowing away from a piston space.
- the movement of the load for a direction of movement of the piston forcibly leads to a reduction of the one piston chamber and to an enlargement of the other piston chamber.
- the pressure medium flowing out of the piston chamber is proportionately conducted via the second pressure medium connection into the other piston chamber, which can be called regeneration of pressure medium.
- a pressure medium source in particular a hydraulic pump or a hydraulic accumulator, which is to be provided for the provision of the pressure medium volume flow for the other piston chamber, therefore no longer has to be due to the maximum speed of movement, maximum pressure medium flow rate of the other piston chamber are designed. It can instead be designed smaller, so that investment and operating costs can be saved and the cost of the drive can be reduced.
- the second pressure medium connection according to the invention proves to be particularly advantageous when the hydraulic cylinder is configured such that the partial volume flow can completely cover the pressure medium volume flow necessary for filling the other piston space. Then, this pressure medium volume flow is completely regenerated from the drain volume flow and it may even be considered to dispense entirely with a hydraulic pump.
- the hydraulic machine is formed via a hydraulic motor for converting hydraulic energy of the drain volume flow into mechanical energy.
- the mechanical energy can be used, for example, to drive other hydraulic machines, a generator, a flywheel or supporting the drive of an internal combustion engine.
- the stored pressure medium energy can be used offset in time if necessary.
- the hydraulic machine can be designed with a constant or variable displacement volume.
- the hydraulic machine can be designed as an axial piston machine in swash plates or Schrägachsenbauweise.
- the swashplate design with adjustable displacement volume running hydraulic machine can be designed with swivel swash plate, whereby a change between engine and pump operation, or vice versa, is made possible by a simple swinging.
- a drive shaft of the hydraulic machine may be connected to a drive shaft of a diesel engine or an electric motor and / or generator or to a mechanical flywheel.
- the first pressure medium connection of the drive in a preferred development has a first throttle device with an adjustable, first opening cross section.
- the first throttle device is preferably designed in such a way that it allows a substantially leak-free load hold in the non-actuated state of the hydraulic cylinder.
- the first throttle device is preferably designed as a continuously adjustable 2/2-way seat valve that is biased in a blocking position of its valve seat, in particular by a spring and actuated in the direction of flow positions.
- the actuation can be designed hydraulically, mechanically or electromagnetically.
- the first throttle device is attached directly to the hydraulic cylinder, in particular flanged, so that it can fulfill the function of a pipe rupture protection.
- the piston then has a piston surface, of which the piston space is at least partially limited. Preferably, this is larger than another piston surface of the piston, of which the other piston chamber is at least partially limited. The regeneration from the piston chamber with the larger piston surface to the piston chamber with the smaller piston surface thus takes place via the second pressure medium connection.
- the hydraulic cylinder is designed such that the piston is connected to a piston rod, from which the other piston chamber is penetrated and at which the load acts.
- the second pressure medium connection of the drive in a preferred development has a second throttle device with a second opening cross section which is adjustable as a function of the pressure of the piston space.
- the second throttle device is designed such that its pressure drop, more precisely its flow resistance, via the second opening cross-section, at least when it is largely turned on, is low.
- the first opening cross-section of the first throttle device This can be achieved via the second pressure medium connection, a pressure gain in a piston chamber. In a piston chamber then prevails due to the second pressure medium connection, a higher pressure than without the second pressure medium connection.
- the second opening cross section can be controlled as a function of the increasing pressure of the one piston chamber, wherein it can be opened in dependence on the decreasing pressure of the one piston chamber.
- the second opening portion is controllable in this way in a predetermined interval of the pressure of a piston chamber. In this way, depending on the pressure of a piston chamber and depending on its tendency (rise, sink), the partial volume flow can be reduced or increased. The more the second opening cross-section is opened, the more the previously discussed pressure boosting effects.
- the second pressure medium connection according to the invention is completely interrupted and the pressure gain comes to a standstill. In this way it is ensured that a predetermined maximum load can be held by the hydraulic cylinder.
- the control of the second opening cross-section, by the second throttle device - in particular a throttle or valve body of the second Throttling device - is loaded in the direction of a Zu Kunststoffung of the second opening cross section with the pressure of a piston chamber.
- a lower or minimum pressure equivalent with which it - in particular its throttle or valve body - is loaded in the direction of a control of the second opening cross-section.
- a limit value of the pressure of the one piston chamber can thus be preset, from which the second pressure medium connection is controlled. From this closing point, or from reaching this limit, the second opening cross-section is reduced with increasing pressure, whereby the partial volume flow is throttled.
- the second throttle device is designed such that the second opening cross-section is substantially constant controlled as long as the pressure of a piston chamber is smaller than the lower pressure equivalent. Consequently, in this pressure range, the pressure of one piston chamber has no influence on the partial volume flow, and the advantages of pressure amplification and reduction of the pressure medium volume flow to be supplied by the hydraulic pump are fully realized.
- the second opening cross section can be controlled substantially in proportion to the increasing pressure of the one piston chamber, as long as the pressure of the one piston chamber rises above the lower pressure equivalent.
- the pressure gain in this pressure range is increasingly reduced.
- the second throttle device has an upper pressure equivalent, with which it is loaded in the direction of a control of the second opening cross-section and which is greater than the first pressure equivalent.
- the upper pressure equivalent By way of the upper pressure equivalent, a closing pressure is thus established for the pressure of the one piston chamber, from which the second opening cross section has been closed and the partial volume flow has become approximately zero and the pressure boost is thereby switched off.
- the second opening cross-section is closed, when the pressure of the one piston chamber is equal to or greater than the upper pressure equivalent, there is the problem that with continued movement of the piston cavitation threatens in the other piston chamber.
- the previously discussed hydraulic pump is provided in the drive, which can provide this Nachsaugvolumenstrom required and thereby prevents cavitation in the other piston chamber, or the drive is further developed such that the second throttle device has a residual opening cross section as soon as the pressure of a piston chamber is about the same upper pressure equivalent or greater than this. By means of the residual opening cross section, sufficient pressure medium can then always be fed into the other, enlarging piston space.
- the residual opening cross-section is designed such that in the other piston chamber a pressure is established which is limited and prevented by cavitation.
- the lower and / or the upper pressure equivalent is formed via at least one compression spring.
- both mentioned pressure equivalents are formed by a common spring.
- other technical solutions such as electromagnetic or hydraulic, for applying the pressure equivalents or possible.
- the lower pressure equivalent and / or the upper pressure equivalent is configured adjustable.
- the spring force is preferably adjustable.
- the previously mentioned cavitation in the other piston space can be prevented by providing a third pressure medium connection connected in parallel to the second pressure medium connection in a further development of the drive. Also via these, the other piston chamber can be supplied with a partial volume flow of the outflow volume flow of the one piston chamber.
- the third pressure medium connection preferably has a third throttle device with a third, which can be adjusted as a function of the pressure of the other piston chamber Opening cross section.
- the third pressure medium connection can thus be controlled via the third throttle device.
- the third opening cross-section can preferably be controlled as a function of the increasing pressure of the other piston chamber, it being possible for the third opening cross-section to be openable as a function of the decreasing pressure of the other piston chamber.
- the third throttle device has in a preferred development, in particular an adjustable pressure equivalent, with which the third throttle device, in particular a throttle body or valve body, is loaded in the direction of a control of the third opening cross-section. In this way, cavitation is prevented in the other piston chamber and the pressure in the other piston chamber is less than or equal to the set third pressure equivalent, so that the pressure gain is limited.
- the hydraulic pump is part of the hydrostatic drive.
- the hydraulic pump is part of the hydrostatic drive.
- the drive is preferably used in a mobile work machine, since there due to always tight space and the requirement of a low vehicle weight fiction reduction of the hydromachine (due to the described pressure boost) and the hydraulic pump (due to the regeneration described) prove to be particularly advantageous.
- a hydrostatic drive valve device constructed according to at least one of the aspects of the foregoing description is preferably constructed in a compact block or disc configuration. It has the second throttle device with the second opening cross section, which is adjustable as a function of the pressure of the one piston chamber, via which the second pressure medium connection can be controlled. In addition, it has the second pressure medium connection connected in parallel, third pressure medium connection, via which the other piston chamber with the partial volume flow of the drain volume flow can be supplied. In the third pressure fluid connection, the third throttle device with the depending on the Pressure of the other piston chamber adjustable, third opening cross-section provided over which the third pressure medium connection is controllable.
- a hydrostatic drive 1 has a hydraulic cylinder 2 for moving, in particular for lifting and / or lowering a load, which is symbolized by the designation F L.
- the hydraulic cylinder raises and lowers the load F L under the action of gravity, which in FIG. 1 in the direction of the arrow marked x acts.
- the hydraulic cylinder 2 has a piston 4 which is received axially displaceably in a housing 6 of the hydraulic cylinder 2. From the piston 4, a cylinder bottom side piston chamber 8 is fluidically separated from a piston rod side, other piston chamber 10 in the housing 6.
- the piston 4 has on the cylinder bottom side a piston surface 12, of which the one piston chamber 8 is limited in sections, and on the other hand another piston surface 14, of which the other piston chamber 10 is partially limited.
- a piston rod 16 is attached to the piston 4, to which the load F L attacks.
- first pressure medium connection 18 By way of a first pressure medium connection 18, the one piston chamber 8 is provided with a working connection as a hydraulic motor with an adjustable displacement volume trained, hydraulic machine 20 connected.
- the first pressure medium connection 18 has a first throttle device 22 with an adjustable, first opening cross-section, via which the first pressure medium connection 18 can be opened and closed.
- the other piston chamber 10 is connected to a working port of a hydraulic displacement pump 24 configured with an adjustable displacement volume.
- the hydrostatic drive 1 additionally has a second pressure medium connection 26 branching off from the first pressure medium connection, via which the one piston space 8 can be fluidically connected to the other piston space 10 for a so-called regeneration operation.
- the pressure medium supply of the other piston chamber 10 is partially or completely via the second pressure medium connection 26, that is, a partial flow of the effluent from a piston chamber 8 drain volume flow.
- the second pressure medium connection 26 is designed as a simple adjusting throttle second throttle device 28 is arranged.
- the second throttle device 28 is formed in the first embodiment as a simple adjusting throttle. About them, the second pressure medium connection 26 and thus the partial volume flow can be controlled.
- FIG. 2 shows a second embodiment of a hydrostatic drive 101, which substantially according to FIG. 1 is the same, and as a sole difference instead of the hydraulic motor has a hydraulic accumulator 121. Through this, the pressure medium energy of the whole or of the partial volume flow reduced drain volume flow can be stored for later use.
- a third embodiment of a hydrostatic drive 201 according to FIG. 3 corresponds largely to that according to FIG. 1 ,
- a second throttle device 228 is arranged in the second pressure medium connection 26, which has a second opening cross section A 2 which is adjustable as a function of the pressure p A and via which the second pressure medium connection 26 can be actuated and controlled.
- the second throttle device 228 is designed in the embodiment as a proportionally adjustable 2/2-way valve.
- a valve body of the second throttle device 228 is loaded in the direction of a blocking position 228 b with the pressure p A , whereas it is in the direction of an open position 228 a with a Pressure equivalent, namely the spring force of a spring 230, is loaded.
- the spring 230 acts with a spring force on the valve body, which corresponds to a lower pressure equivalent p Au .
- the spring 230 acts with a spring force which corresponds to an upper pressure equivalent p Ao .
- the third embodiment according to FIG. 3 takes advantage of the two embodiments described above (regeneration solution) and combines this with a higher utilization of the recuperable from the piston chamber 8 pressure medium energy.
- the second throttle device 228 is designed such that its pressure loss is low.
- the pressure p B in the other piston chamber 10 is then approximately equal to the pressure p A in a piston chamber 8. It follows that the pressure p A increases further. In the following, a new equilibrium of forces arises on the piston 4 with an increased pressure p A compared to the aforementioned embodiments.
- the drain volume flow towards the hydraulic motor 20 can be approximately halved with this approach, and the pressure p A and thus the working pressure of the hydraulic motor 20 can be approximately doubled.
- the hydraulic pressure medium energy supplied to the hydraulic motor 20 via the outflow volume flow is approximately the same as in the preceding embodiments, the hydraulic motor 20 can be designed to be half as large. As a result, the drive 201 is particularly cost-effective.
- the second pressure medium connection 26 is controlled as a function of the pressure p A in a piston chamber 8 when it rises above a certain threshold value.
- the above-described load of the valve body of the second throttle device 228 serves in the direction of the blocking position 228b with the tapped by a piston chamber 8 pressure p A.
- the tap is carried out via a load indicator line 232, which branches off between the one piston chamber 8 and the first throttle device 22 from the first pressure medium connection 18.
- the closing of the second pressure medium connection 26, or of the second opening cross-section A 2 begins according to the diagram in FIG FIG.
- the values for the pressure equivalents p Au , p Ao which determine the control behavior of the second throttle device 28, depend on the maximum permissible pressure p Amax in a piston chamber 8. In addition, an operating strategy plays a role.
- p Ao could also be designed for the value of the maximum pressure p Amax . Even then, the pressure p A in a piston chamber 8 can not statically exceed the value p Amax , since the pressure p A via the load reporting line 232 directly in a piston chamber 8 tapped and reported to the second throttle device 228. However, this type of design for p Ao in dynamic load cases proves to be critical.
- the lower pressure equivalent p Au is designed so that the second throttle device 228 has a stable control behavior. In the exemplary embodiment shown, this is given when p Au is about 50 bar lower than p Ao (140 bar).
- FIG. 3 A weakness of in FIG. 3
- the supply volumetric flow into the other piston chamber 10 has to be supplied from another location.
- the reserved hydraulic pump 24 could serve this purpose.
- the pressure medium volume flow of the hydraulic pump 24 is a limiting factor in parallel operation of a plurality of hydraulic consumers. If, at their maximum utilization, the additional suction volume flow required by the other piston chamber 10 is added and the second pressure medium connection 26 is closed as mentioned, cavitation may occur in the other piston chamber 10 due to the lack of pressure medium supply and / or the other hydraulic consumers due to insufficient supply through the hydraulic pump 24 slower.
- the drive 201 is in accordance with a in FIG. 4 shown fourth embodiment of a hydrostatic drive 301 to a third pressure medium connection 340 added, which is connected in parallel to the second pressure medium connection 26 and branches off from the first pressure medium connection between the first throttle device 22 and the working port of the hydraulic motor 20.
- a third throttle device 342 is provided, the third opening cross-section of which is controllable in dependence on the pressure p B of the other piston chamber 10. More specifically, a valve body of the third throttle device 342 is loaded in the direction of an open position of the third throttle device 342 with the pressure equivalent of a spring 344 and in the direction of a closed position with the pressure p B of the other piston chamber 10. With decreasing pressure p B of the third opening cross section is thus controlled by the spring 344, whereby the above-described cavitation is prevented by undersupply of the other piston chamber 10.
- the third throttle device 342 may also be referred to as a suction valve.
- the spring force / pressure equivalent of the spring 344 is adjustable and adjusted to about 10 bar.
- FIG. 5 shows a according to the embodiment according to FIG. 3 based, fifth embodiment of a hydrostatic drive 401.
- this is the Nachsaugung that in the embodiment according to FIG. 4 is made possible via the third pressure medium connection, solved in an alternative way.
- the hydrostatic drive 401 reference is made at this point only to the differences from the third exemplary embodiment FIG. 3 received.
- a second throttle device 428 of the second pressure medium connection has instead of the blocking position 228b according to FIG. 3 a constructionally related residual opening position b with a residual opening cross-section A 2R .
- the residual opening cross-section A 2R is dimensioned such that sufficient pressure medium can flow into the other piston chamber 10 via it, but no pressure buildup takes place in the latter.
- the dimensioning is selected so that adjusts the pressure p B ⁇ 10 bar in the other piston chamber 10. This is sufficient to prevent cavitation in the other piston chamber 10 due to dynamic movement effects of the piston 4.
- the hydraulic pump 24 is fluidly connected in the fifth embodiment with the one piston chamber 8 and not with the other piston chamber 10.
- FIG. 12 shows a valve device 354 that summarizes the second throttle device 228 and the third throttle device 342.
- the valve device 354 is also according to the fourth embodiment FIG. 4 installed. It is designed as a valve block with the connections L, A, X, and B1 and B2. Via the connection A, the second and third pressure medium connection 26 and 340 with the first pressure medium connection 18 according to FIG FIG. 4 connectable. Via the connection X, the load-signaling line 232 can be fluidically connected to the one piston chamber 8. Via the port B1 of the other piston chamber can be connected and via the port B2, the hydraulic pump 24 can be connected.
- the valve device 354 summarizes the functions of the load pressure-dependent regeneration of pressure medium from a piston chamber 8 in the other piston chamber 10 via the second throttle device 228 and the pressure-controlled Nachsaugung in the other piston chamber 10 via the third throttle device 342 together.
- a leakage connection L of the valve device 354 is shown, via which spring chambers (not shown) of the springs 230 and 344 can be connected to a low-pressure level.
- the hydrostatic drive 401 has a fourth throttle device 450, via which an opening cross section of the pressure medium connection of the hydraulic pump 24 with the one piston chamber 8 can be controlled.
- a further check valve 452 between the fourth throttle device 450 and the working port of the hydraulic pump 24 is provided, on the one hand to prevent the flow of pressure medium from the one piston chamber 8 to the hydraulic pump 24 and on the other hand to allow the pressure medium supply of a piston chamber 8 through the hydraulic pump 24.
- the mentioned pressure medium connections can each be designed as a pressure medium line or pressure medium channel.
- a hydrostatic drive with a double-acting hydraulic cylinder for moving a load wherein one of the piston chambers of the hydraulic cylinder for recuperation of particular potential energy of the load with a hydraulic machine, in particular a hydraulic motor, and / or a hydraulic accumulator is fluidically connectable.
- the hydraulic cylinder to a second pressure medium connection, via which the other piston chamber for the regeneration of pressure medium energy with a partial volume flow of a flowing away from a piston chamber drain volume flow can be supplied.
- a hydrostatic drive with a hydraulic cylinder for moving a load, a piston chamber with a hydraulic machine and / or a hydraulic accumulator for recuperation of hydraulic energy of the hydraulic cylinder is fluidly connected.
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Abstract
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 FL symbolisiert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hebt und senkt der Hydrozylinder die Last FL unter Einwirkung der Schwerkraft, die inFigur 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 FL 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 gemäßFigur 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 gemäßFigur 1 . Abweichend davon ist in der zweiten Druckmittelverbindung 26 eine zweite Drosseleinrichtung 228 angeordnet, die einen in Abhängigkeit des Drucks pA 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 pA 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 pAu entspricht. Befindet sich der Ventilkörper in der Sperrstellung 228b, so wirkt die Feder 230 mit einer Federkraft, die einem oberen Druckäquivalent pAo 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 pB im anderen Kolbenraum 10 etwa gleich dem Druck pA im einen Kolbenraum 8. Hieraus ergibt sich, dass sich der Druck pA weiter erhöht. Es entsteht im Folgenden ein neues Kräftegleichgewicht am Kolben 4 mit einem verglichen zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen erhöhten Druck pA. 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 pA, 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 pA 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 pA ergibt sich generell die Problematik, dass für einen maximal zulässigen Druck pAmax (beispielsweise 380 bar) nur eine verringerte Last FL gehalten werden kann. Ohne die beschriebene Druckverstärkung ergibt sich das Verhältnis FLmax = pAmax * A12, mit A12 als Flächeninhalt der einen Kolbenfläche 12. Hingegen ergibt sich mit der Druckverstärkung der Zusammenhang FLmax = pAmax * (A12 - A14), mit A14 als Flächeninhalt der anderen Kolbenfläche 14.
- Um die geforderte maximale Last FLmax halten zu können, wird die zweite Druckmittelverbindung 26 in Abhängigkeit des Drucks pA 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 pA. 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 pA im einen Kolbenraum 8 den Wert des unteren Druckäquivalents pAu erreicht. Das Schließen erfolgt bis zum Erreichen des oberen Druckäquivalents pAo proportional zum ansteigenden Druck pA. Dann ist der zweite Öffnungsquerschnitt A2 = 0 und es erfolgt weder die beschriebene Regeneration noch die Druckverstärkung. Zwischen den beiden Druckäquivalenten pAu und pAo nehmen diese beiden Effekte mit steigendem Druck pA stetig ab. - Die Werte für die Druckäquivalente pAu, pAo, die das Steuerverhalten der zweiten Drosseleinrichtung 28 bestimmen, hängen vom maximal zulässigen Druck pAmax im einen Kolbenraum 8 ab. Zudem spielt eine Betriebsstrategie eine Rolle. Damit der Druck pA trotz der vorbeschriebenen Druckverstärkung bei jeglicher Last FL den Wert pAmax nicht überschreitet, kann in einer einfachen Auslegung das obere Druckäquivalent pAo wie folgt bestimmt werden:
- Theoretisch könnte pAo auch auf den Wert des maximalen Drucks pAmax ausgelegt sein. Auch dann kann der Druck pA im einen Kolbenraum 8 statisch den Wert pAmax nicht übersteigen, da der Druck pA 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 pAo 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 pAo der Wert 190 bar. Im Folgenden wird das untere Druckäquivalent pAu so ausgelegt, dass die zweite Drosseleinrichtung 228 ein stabiles Regelverhalten hat. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies dann gegeben, wenn pAu etwa 50 bar niedriger als pAo ist (140 bar).
- Abweichend von der geschilderten einfachen Betrachtungsweise kann für das obere Druckäquivalent pAo ein höherer Wert angenommen werden, da aufgrund einer Motorsteuerung des Hydromotors 20 der Druck stromabwärts der ersten Drosseleinrichtung 22 nicht gleich dem Druck pA 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 pM vorzusehen, der unterhalb des Druckes pA liegt.
- Eine Schwäche des in
Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist, dass zu Betriebszeitpunkten, zu denen die Last FL 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 pB 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 pB des anderen Kolbenraums 10 belastet. Mit sinkendem Druck pB 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 pB 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 gemäßFigur 3 basierendes, fünftes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Antriebs 401. Bei diesem ist die Nachsaugung, die beim Ausführungsbeispiel gemäßFigur 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 gemäßFigur 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 A2R 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 A2R 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 pB ≤ 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 gemäßFigur 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 gemäßFigur 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 gemäßFigur 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.
-
- 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
- A2R
- zweiter Restöffnungsquerschnitt
- pA
- Druck im einen Kolbenraum
- pAmax
- maximal zulässiger Druck im einen Kolbenraum
- pB
- Druck im anderen Kolbenraum
- pAu
- unteres Druckäquivalent
- PAo
- oberes Druckäquivalent
Claims (16)
- Hydrostatischer Antrieb mit einem Hydrozylinder (2) zum Bewegen, insbesondere zum Heben und / oder Senken, einer Last (FL), 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 (FL), 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 (pA) 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 (pA) des einen Kolbenraums (8) zusteuerbar ist, und / oder wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A2) in Abhängigkeit des absinkenden Drucks (pA) 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 (pA) des einen Kolbenraums (8) belastet ist.
- Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 6 mit einem unteren Druckäquivalent (pAu), 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 (pA) des einen Kolbenraums (A) kleiner ist als das untere Druckäquivalent (pAu).
- Antrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (A2) in Abhängigkeit des Drucks (pA) des einen Kolbenraums (8) im Wesentlichen proportional zusteuerbar ist, wenn der Druck (pA) des einen Kolbenraums (8) oberhalb des unteren Druckäquivalents (pAu) ansteigt.
- Antrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einem oberen Druckäquivalent (pAo), 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 (pAu).
- Antrieb nach Anspruch 10, wobei über das obere Druckäquivalent (pAo) der Druck (pA) des einen Kolbenraums (8) begrenzbar ist.
- Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zweite Drosseleinrichtung (428) einen Restöffnungsquerschnitt (A2R) aufweist, wenn der Druck (pA) des einen Kolbenraums (8) etwa gleich dem oberen Druckäquivalent (pAo) 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 (pA) 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 (pA) des anderen Kolbenraums (10) zusteuerbar ist, und / oder wobei der dritte Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des absinkenden Drucks (pA) 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 (pA) 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 (pA) des anderen Kolbenraums (10) verstellbaren, dritten Öffnungsquerschnitt, über die die dritte Druckmittelverbindung (340) steuerbar ist
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