DE102009053618A1

DE102009053618A1 - Hydraulikantrieb mit Energierückgewinnung

Info

Publication number: DE102009053618A1
Application number: DE102009053618A
Authority: DE
Inventors: Uwe Neumann; Jan Amrhein; Edwin Heemskerk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19
Also published as: US20130199170A1; CN102695884A; KR20120086317A; WO2011060844A1; JP2013511013A

Abstract

Offenbart wird eine hydraulische Antriebseinrichtung mit Energie-Rückgewinnungsfunktion bestehend aus einer Druckmittelpumpe zur Versorgung eines Verbrauchers mit Druckmittel und einer Rückführleitung zur Abfuhr des Druckmittels aus dem Verbraucher. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das abgeführte Druckmittel unter Druck zur Saugseite der Druckmittelpumpe rückgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebseinrichtung für einen translatorischen Verbraucher, beispielsweise den Ausleger/Hubmechanismus einer Arbeitsmaschine wie Bagger, Stapler und dergleichen Arbeitsgerätschaften oder einen rotatorischen Verbraucher z. B. eine Seilwinde jeweils mit Energie-Rückgewinnungsfunktion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Rotatorische Verbraucher wie Seilwindenantriebe oder translatorische Verbraucher wie Hubmechanismen von Arbeitmaschinen werden unter anderem hydraulisch angetrieben, wobei der hierfür erforderliche Hydraulikfluidstrom von einer Druckmittelpumpe erzeugt wird. Die Pumpe wird von einem Motor mechanisch angetrieben, wobei deren Fördervolumen in Abhängigkeit von einem handbetätigten Steuerhebel entweder direkt auf mechanischem Wege oder indirekt über eine Steuereinheit veränderbar ist, welche entsprechende Steuersignale erzeugt und diese an die Druckmittelpumpe bzw. deren Verstellmechanismus anlegt. Darüber hinaus ist in den Verbindungsleitungen zwischen Pumpe und Verbraucher zumindest ein manuell betätigbares Steuerventil zwischengeschaltet, über das die Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung des Verbrauchers steuerbar ist. In diesem Zusammenhang entspricht es auch dem technischen Standard, eine Bewegungsgeschwindigkeit (beispielsweise die Senkgeschwindigkeit bei einem Ausleger) entsprechend einer Ventilhebelstellung einzustellen und die maximale Bewegungs- z. B. Senkgeschwindigkeit über ein Wageventil in einer Druckentlastungsleitung der hydraulischen Antriebseinrichtung zu realisieren. Hierbei wird die potentielle Energie der angehobenen oder angezogenen Last an einer Drosselstelle des Wegeventils in Wärme umgesetzt und mit dem Fluid in den Tank abgeführt.
Insbesondere bei elektrisch betriebenen Arbeitsmaschinen aber auch allgemein in der Mobilhydraulik ist jedoch die Energieeffizienz der hydraulischen Anlage von großer Wichtigkeit, wobei in solchen Fällen die potentielle Energie angehobener Lasten bei deren Absenken über einen generatorisch arbeitenden Elektromotor in eine Elektrobatterie rückgeführt wird. Hierzu ist es im Stand der Technik beispielsweise gemäß der DE 44 16 173 C2 bekannt geworden, den Hubzylinder einer Hubvorrichtung mittels einer Fördervolumen-verstellbaren Druckmittelpumpe mit Hydraulikfluid zu versorgen, die über eine Druckmittelleitung und zwischengeschaltetem Steuerventil an den Hubzylinder angeschlossen ist. Das Steuerventil ist manuell betätigbar und verbindet den Hubzylinder wahlweise mit der Druckmittelpumpe für ein Anheben einer Last oder mit einer Druckentspannungsleitung für ein Absenken der Last.
In der Druckentspannungsleitung ist ein Senkbremsventil zwischengeschaltet, über das das Druckmittel gedrosselt in einen Druckmitteltank entspannbar ist. Zusätzlich zweigt von der Druckentspannungsleitung an einem Umschaltventil stromauf zum Senkbremsventil eine Energierückgewinnungsleitung ab, die über ein Rückschlagventil in die Druckmittelleitung stromauf von der Pumpe zurückführt und somit entspannendes Druckmittel zur Druckmittelpumpe anderen Ausgangsanschluss zurückleitet. Für den Fall, dass der Druck zwischen dem Hubzylinder und dem Steuerventil einen vorbestimmten Wert überschreitet, schaltet das Umschaltventil auf die Energierückgewinnungsleitung um. Die Druckmittelpumpe arbeit in diesem Fall als Druckmittelmotor und der mechanisch daran angeschlossene Elektromotor als Generator.
Eine Schaltung mit Energierückgewinnung gemäß dem vorstehenden Stand der Technik setzt eine elektrisch angetriebene Pumpen-Motor-Einheit mit elektrischem Energiespeicher (z. B. eine Batterie) voraus. Allerdings werden in mobilen Arbeitsmaschinen die Hydraulikpumpen in der Regel durch den Verbrennungsmotor angetrieben.
Nachteilig ist weiterhin der vergleichsweise hohe regelungstechnische Aufwand mit einer Vielzahl von Sensoren zu nennen, da die Pumpendrehzahl sowie die Ventilöffnungen abhängig von System- und Verbraucherdrücken und Verbrauchergeschwindigkeiten geregelt werden müssen. Zudem ist eine Energierückgewinnung in Betriebszuständen mit parallelen Verbrauchern nicht möglich, die einen höheren Verbraucherdruck aufweisen.
Angesichts dieser Sachlage ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische Antriebseinrichtung mit Energie-Rückgewinnungsfunktion bereit zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad erzielt und mehrere parallele Verbraucher antreiben kann. Ein weiteres bevorzugtes Ziel ist es, die hydraulische Antriebseinrichtung so auszubilden, dass keine elektrisch angetriebene Pumpen-Motor-Einheit mit elektrischem Energiespeicher benötigt wird und die weiter vorzugsweise mit geringem regelungstechnischen Aufwand betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine hydraulische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der anliegenden Unteransprüche.
Der Kern der Erfindung und damit der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, die hydraulische Antriebseinrichtung mit Energie-Rückgewinnungsfunktion bestehend aus einer Druckmittelpumpe zur Versorgung zumindest eines oder mehrerer (translatorischer oder rotatorischer) Verbraucher mit Druckmittel und einer Rückführleitung zur Abfuhr des Druckmittels aus dem/den Verbraucher(n) so auszugestalten, dass das abgeführte Druckmittel unter einem (Rückgewinnungs-)Druck zur Saugseite der Druckmittelpumpe rückgeführt wird. Damit wird entweder in dem Fall, dass sich die Pumpe im Pumpenbetrieb befindet, die Druckdifferenz über der Pumpe verringert und somit der Energieverbrauch reduziert oder in dem Fall, dass sich die Pumpe im motorischen Betrieb befindet, die Energie aus dem rückgeführten Druckmittel an die Antriebswelle abgegeben. In beiden Fällen findet also eine Energie-Rückgewinnung statt, wobei die rückgewonnene Energie parallelen und von der gleichen Pumpe angetriebenen Verbrauchern sofort und unmittelbar zur Verfügung steht. Damit kann die Effizienz der Antriebseinrichtung erhöht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht hierfür vor, in die Rückführleitung eine Druckwaage zwischenzuschalten, deren Ausgangsseite mittels eines Druckbegrenzungsventils auf den (Rückgewinnungs-)Druck vorgespannt/vorspannbar ist. Auf diese Weise kann ein lastunabhängiger (Rückgewinnungs-)Druck an die Saugseite der Pumpe angelegt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, einen Druckmittelspeicher an die Saugseite der Druckmittelpumpe anzuschließen, in dem nicht von der Pumpe benötigter/abgerufener (Rückgewinnungs-)Volumenstrom temporär gespeichert werden kann.
Schließlich ist es vorteilhaft, die Druckwaage mittels einer Brückenleitung zu umgehen, in die ein Drosselelement, vorzugsweise ein Proportionalventil zwischengeschaltet ist. Hierdurch wird erreicht, dass bei entsprechend hohem Rückführdruck in der Rückführleitung ein (Rückgewinnungs-)Druck oberhalb dem an der Druckwaage eingestellten Ausgangsdruck an die Pumpe anlegbar ist, um temporär den Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung noch weiter zu steigern.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt das Schaltbild einer hydraulischen Antriebseinrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im Wesentlichen eine Grundausführung darstellt,
2 zeigt das Schaltbild einer hydraulischen Antriebseinrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mit einem zusätzlichen Energiespeicher für die rück gewonnene Energie ausgerüstet ist,
3 zeigt das Schaltbild einer hydraulischen Antriebseinrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches eine Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt und das den Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung weiter verbessert,
4 zeigt das Schaltbild einer hydraulischen Antriebseinrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zusätzlich zu den Funktionen des dritten Ausführungsbeispiels mit einem zusätzlichen „virtuellen Verbraucher” ausgerüstet ist,
5 zeigt das Schaltbild einer hydraulischen Anordnung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
6 zeigt einen Grafen, der den Verlauf der Blendenquerschnitte der Druckwaage über dem Hub darstellt.
In der 1 ist ein Schaltschema für eine erfindungsgemäße hydraulische Antriebseinrichtung in einer Basisversion dargestellt. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dieses Schema eine einfache, jedoch voll funktionsfähige Hydraulikschaltung bildet. Im Gegensatz hierzu repräsentieren die jeweiligen Schemata gemäß der 2 bis 4 keinen Schaltplan einer voll funktionsfähigen Antriebseinrichtung sondern sollen lediglich den erfindungsgemäßen Teilaspekt einer Antriebseinrichtung, nämlich den Teilaspekt „Senken” erklären.
Demzufolge hat die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine vorzugsweise verstellbare Druckmittelpumpe 1, die von einem Elektro- oder Verbrennungsmotor 2 betrieben wird. Die Pumpe 1 ist vorliegend über eine Zuführleitung 4 mit der Ringkammer 6 oder der Kolbenkammer 16 eines Hubzylinders 8 verbindbar, wobei ein steuerbares Proportionalventil 9 in die Zuführleitung 4 zwischengeschaltet ist. Ferner hat die Pumpe 1 eine Ansaugleitung 12 mit zwischengeschaltetem Rückschlagventil 14, das lediglich ein Ansaugen von Druckmittel aus einem Fluidtank in Richtung zur Pumpe 1 zulässt.
Von einer Kolbenkammer 16 des Hubzylinders 8 geht eine Rückführleitung 18 ab, in die ebenfalls das Proportionalventil 9 zwischengeschaltet ist. Über dieses Ventil 9 kann die Kolbenkammer 16 des Hubzylinders in ausgewählter Weise über die Leitungen 4 und 18 mit der Pumpe 1 verbunden werden, um eine Last anzuheben. In dieser Schaltstellung des Ventils 9 ist die Ringkammer 6 mit dem Tank verbunden. Ferner kann die Kolbenkammer 16 über die Rückführleitung 18 und das in die Rückführleitung 18 zwischengeschaltete Ventil 9 mit dem Fluidtank für ein Absenken der Last verbunden werden, wobei in diesem Fall die Ringkammer 6 über das Ventil 9 mit der Pumpe 1 Verbindung erhält. Das Ventil 9 bildet hierbei (in Senk-Stellung) eine Art Ablaufsteuerkante oder Ablaufmessblende 20 in der Rückführleitung 18, um den Senkvorgang präzise zu steuern.
Alternativ zu dem Hubzylinder 8 ist in der 1 auch ein Rotationsverbraucher in Form einer Hydromaschine gezeigt, an die beispielsweise eine Seilwinde gekoppelt ist. Im Nachfolgenden wird die Erfindung jedoch der Einfachheit halber lediglich anhand des Hubzylinders beschrieben.
Stromab von der Ablaufsteuerkante 20 kann ein Rückschlagventil 22 in der Rückführleitung 18 angeordnet sein (siehe insbesondere 2), das lediglich ein Ausströmen von Druckmittel aus der Kolbenkammer 16 des Hubzylinders 8 zulässt. Stromab zu diesem Rückschlagventil 22 zweigt eine Kurzschlussleitung 24 ab, die über ein weiteres Rückschlagventil 26 zur Ringkammer 6 zurückführt und somit nur eine Fluidströmung aus der Kolbenkammer 16 in die Ringkammer 6 zulässt. Dem Rückschlagventil 26 ist ein Druckreduzierventil 28 in der Kurzschlussleitung 24 unmittelbar vorgeschaltet, dessen eine Steuerseite von einer vorzugsweise verstellbaren Feder und dessen andere Steuerseite von einem Steuerdruck beaufschlagt ist, der von der Kurzschlussleitung 24 stromab des Druckreduzierventils 28 abgegriffen wird.
In der Rückführleitung 18 stromab der Ablaufsteuerkante 20 (des Ventils 9) ist eine Druckwaage 30 zwischengeschaltet. Diese Druckwaage 30 besteht vorzugsweise aus einem 2-Wege-Proportionalregelventil, dessen eine Steuerseite federvorgespannt sowie mit einem Steuerdruck beaufschlagt ist, der von der Rückführleitung 18 unmittelbar stromauf der Druckwaage 30 abgegriffen wird und dessen andere Steuerseite von einem Steuerdruck beaufschlagt, ist, der von der Rückführleitung 18 stromauf der Ablaufsteuerkante 20 abgegriffen wird.
Stromab der Druckwaage 30 ist die Rückführleitung 18 mit der Ansaugleitung 12 der Druckmittelpumpe 1 verbunden und zwar zwischen der Druckmittelpumpe 1 und dem Rückschlagventil 14 in den Ansaugleitung 12. Schließlich zweigt stromab der Druckwaage 30 von der Rückführleitung 18 eine Druckentlastungsleitung 32 zum Fluidtank ab, in die ein Druckbegrenzungsventil 34 zwischengeschaltet ist. Die eine Steuerseite des Druckbegrenzungsventils 34 ist mit einer vorzugsweise verstellbaren Feder vorgespannt und die andere Steuerseite ist mit einem Steuerdruck beaufschlagt, der von der Druckentlastungsleitung 32 unmittelbar stromauf des Druckbegrenzungsventils 34 abgegriffen wird.
Durch das Druckbegrenzungsventil 34 wird der Ausgang der Druckwaage 30 auf einen am Druckbegrenzungsventil 34 einstellbaren oder voreingestellten Wert vorgespannt, sodass auch die Saugleitung 12 stromauf zum darin zwischengeschalteten Rückschlagventil 14 diesen Druckwert annimmt. Die Druckmittelpumpe (Hydromaschine) 1 ist ferner dafür vorgesehen, sowohl den in 1 dargestellten Hubzylinder 8 beispielsweise eines Auslegers als auch weitere nicht näher dargestellte Verbraucher mit Druckmittel zu versorgen. Schließlich ist das Druckbegrenzungsventil 34 in der Druckentlastungsleitung 32 auf einen solchen Druck eingestellt, der dem geringsten Lastdruck auf den Hubzylinder 8 (entspricht im Wesentlichen dem Eigengewicht des betreffenden Auslegers) abzüglich einer durch die Druckwaage 30 eingestellten Druckdifferenz über die vorgeschaltete Drossel 20 (bzw. deren Steuerkante) entspricht.
Die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung lässt sich anhand der schematischen Antriebsvorrichtung gemäß 1, wie folgt umschreiben:
Während des Senkens einer Last wird die lastdruckbeaufschlagte Zylinderkolbenkammer 16 über die Ablaufsteuerkante bzw. Ablaufmessblende 20 des Ventils 9 und die nachgeschaltete Druckwaage 30 mit der Saugleitung 12 der Pumpen/Motoreinheit 1 verbunden. Hierbei lassen sich die folgenden Betriebszustände unterscheiden:

1. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist größer als der von der Pumpe 1 abgenommene Volumenstrom.

In diesem Fall wird eine Restmenge an Druckmittel über das Druckbegrenzungsventil 34 (einstellbar oder fest eingestellt) in den Tank abgeleitet und geht somit der Energie-Rückgewinnungsfunktion verloren. Der Druck in der Saugleitung 12 der Druckmittelpumpe 1 steigt indessen auf den am Druckbegrenzungsventil 34 eingestellten Druck (beispielsweise 50 bar) an. Ist nunmehr der Systemdruck (nach der Pumpe 1) höher als der Druck in der Pumpenansaugleitung 12 (Pumpenansaugdruck), dann arbeitet die Pumpen/Motor-Einheit 1 als Pumpe, aufgrund des hohen Ansaugdrucks jedoch mit geringerer Druckdifferenz über der Pumpe 1. Dadurch muss weniger Leistung von einer zentralen Antriebswelle (zwischen Motor 2 und Pumpe 1) abgefordert werden.
Ist indessen der Systemdruck geringer als der Druck in der Ansaugleitung 12, arbeitet die Pumpen/Motor-Einheit 1 als Motor und gibt somit mechanische Leistung an die zentrale Kurbelwelle ab. Die Druckwaage 30 hält hierbei während des Senkens der Last die Druckdifferenz über der Drossel (Ablaufmessblende) 20 in der Rücklaufleitung 18 konstant und ermöglicht somit ein lastdruckunabhängiges Senken.

2. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist kleiner als der von der Pumpe 1 benötigte Volumenstrom.

In diesem Betriebszustand wird der gesamte ablaufende Volumenstrom der Pumpe 1 zur Verfügung gestellt. Da nun keine Restmenge an Druckmittel über das Druckbegrenzungsventil 34 in den Fluidtank entspannt wird, sinkt der Druck in der Pumpenansaugleitung 12 auf den Tankdruck ab. Die von der Pumpe 1 zusätzlich benötigte Menge an Druckmittel kann nun über das Rückschlagventil 14 in der Saugleitung 12 aus dem Fluidtank entnommen werden.
Zur ausreichenden Versorgung der Ringkammer 6 des Zylinders 8 ist das Druckreduzierventil 28 in der Kurzschlussleitung 24 vorgesehen, das über das nachgeschaltete Rückschlagventil 26 eine Verbindung von der Kolbenkammer 16 zur Ringkammer 6 des Hubzylinders 8 herstellt, falls der Druck in der Stangenkammer 6 einen vorbestimmten (vorbestimmbaren) Wert unterschreitet.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung prinzipiell zu entnehmen ist, wird die in der angehobenen Last gespeicherte potentielle Energie in Form von Druckenergie der Druckmittelpumpe 1 auf deren Saugseite zur Verfügung gestellt, wodurch in einem möglichen Betriebszustand die Druckdifferenz über der Pumpe 1 verringert und/oder in einem anderen Betriebszustand die Pumpe 1 sogar als Motor verwendet werden kann. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Einrichtung gegenüber der eingangs beschriebenen Standardversion des Stands der Technik steigern und gleichzeitig mehrere Verbraucher durch die eine Pumpe 1 mit Druckmittel versorgen.
In der 2 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels darstellt. Im Nachfolgenden sollen daher auch nur jene technischen Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben werden, die zum ersten Ausführungsbeispiel unterschiedlich sind. Ferner sollen gleiche technische Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. Auch wird nochmals darauf hingewiesen, dass die 2 lediglich den Aspekt „Last senken” beschreiben soll und keine vollständige Hydraulikschaltung bildet.
Demzufolge ist das in 1 gezeigte Proportionalventil ersetzt durch eine verstellbare Drossel 10 in der Zuführleitung 4 und eine singuläre verstellbare Ablaufmessblende 20 in der Rückführleitung 18. Die wesentliche Neuerung des zweiten Ausführungsbeispiels besteht darüber hinaus in der Anordnung eines Druckspeichers 36 vorzugsweise in der Druckentlastungsleitung 32, der in jedem Fall der Druckwaage 30 nachgeschaltet, jedoch dem Druckbegrenzungsventil 34 vorgeschaltet ist. Somit könnte der Druckspeicher 36 auch an die Rückführleitung 18 oder der Saugleitung 12 stromauf vom darin angeordneten Rückschlagventil 14 angeschlossen sein. Die Anordnung des Druckspeichers 36 hat für die im ersten Ausführungsbeispiel bereits genannten zwei Betriebszustände folgende Auswirkung:

3. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist größer als der von der Pumpe 1 abgenommene Volumenstrom.

In diesem Fall wird die Restmenge an Druckmittel zuerst in den Druckspeicher 36, und falls dieser voll ist, erst dann über das Druckbegrenzungsventil 34 in den Fluidtank geleitet. Der Druck in der Saugleitung 12 der Pumpe 1 steigt dabei auf den Druck im Druckspeicher 36.

4. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist kleiner als der von der Pumpe 1 benötigte Volumenstrom.

In diesem Betriebszustand wird der gesamte ablaufende Volumenstrom der Pumpe 1 zur Verfügung gestellt. Die von der Pumpe 1 zusätzlich benötigte Menge an Druckmittel kann zumindest temporär aus dem Druckspeicher 36 entnommen werden, der so zumindest für eine gewisse Zeit (oder für eine gewisse entnommene Fluidmenge) den Druck in der Saugleitung 12 anhebt oder hält. Erst wenn der Druckspeicher 36 entleert ist, entnimmt die Pumpe 1 Druckmittel aus dem Fluidtank über das in der Saugleitung 12 zwischengeschaltete Rückschlagventil 14.
Das der Ablaufmessblende 20 in der Rückführleitung 18 unmittelbar nachgeschaltete Rückschlagventil 22 hat dabei die Aufgabe, in allen Betriebszuständen sicherzustellen, dass es zu keiner Bewegungsumkehr kommt, falls der Druck im Druckspeicher 36 größer als der Druck in der Kolbenkammer 16 des Zylinders 8 wird.
In der 3 ist ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das eine Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt. Im Nachfolgenden werden daher nur jene technischen Merkmale des dritten Ausführungsbeispiels beschrieben, die zum zweiten Ausführungsbeispiel unterschiedlich sind. Ferner sind gleiche technische Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit dem aus der 2 bereits bekannten Druckspeicher 36 sowie einem zusätzlichen Drosselelement 38 dargestellt. Das Drosselelement 38 wird vorliegend durch ein Proportionalventil gebildet, das in einer Brückenleitung 40 zwischengeschaltet ist, die die Rückführleitung 18 unmittelbar stromauf zur Druckwaage 30 mit der Saugleitung 12 stromauf zum Rückschlagventil 14 verbindet. Vorliegend ist die Brückenleitung 40 an die Rückführleitung 18 unmittelbar vor deren Anschlussstelle an der Saugleitung 12 angeschlossen. Des Weiteren ist in der Rückführleitung 18 ein zusätzliches Rückschlagventil 42 zwischengeschaltet, das stromauf zur Anschlussstelle der Brückenleitung 40 an die Rückführleitung 18 positioniert ist.
Das Proportionalventil (Drosselelement) 38 hat eine erste Steuerseite, die von einem Steuerdruck beaufschlagt ist, der von der Rückführleitung 18 unmittelbar stromab von der Druckwaage 30 abgegriffen wird und eine zweite Steuerseite, die von einer Feder vorgespannt ist. An der zweiten Steuerseite ist ferner eine Leckageleitung 44 angeschlossen, die über einen Entlastungspfad 30a in der Druckwaage 30 zum Fluidtank führt. Dieser Entlastungspfad 30a wird von der Druckwaage 30 dann freigegeben, wenn die Druckwaage 30 relativ weit geöffnet ist. An dieser Stelle sein noch darauf hingewiesen, dass mit dem Bezugszeichen 30b die Steuerkante bzw. Regelblende der Druckwaage bezeichnet ist.
Schließlich zweigt von der Rückführleitung 18 unmittelbar nach der Anschlussstelle der Brückenleitung 40 eine Zwischenleitung 46 ab, die zur Leckageleitung 44 führt und in die eine Drossel/Düse 48 zwischengeschaltet ist.
Die Wirkungsweise der gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlichen Hydraulikbauteile insbesondere des Drosselelements 38 lässt sich am Anschaulichsten an den bereits genannten zwei Betriebszuständen wie Folgt erklären:
Während des Senkens einer Last wird die lastdruckbeaufschlagte Kolbenkammer 16 des Hubzylinders 8 über die Drossel/Ablaufblende 20, das unmittelbar nachgeschaltete Rückschlagventil 22 und das Drosselelement 38 (in dieser Reihenfolge) mit der Saugleitung 12 der zentralen Pumpen/Motor-Einheit 1 verbunden. Wie bereits ausgeführt wurde, ist ferner die Federseite des Drosselelements 38 über die Düse 48 ebenfalls mit der Saugleitung 12 und über die Leckageleitung und den Entlastungspfad 30a in der Druckwaage 30 mit dem Tank verbunden. Dadurch ergeben sich für die zwei genannten Betriebszustände folgende Funktionen:

5. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist größer als der von der Pumpe 1 abgenommene Volumenstrom.

In diesem Fall wird die Restmenge an Druckmittel über die Druckwaage 30 dem hydraulischen Druckspeicher 36 zugeführt. Die Druckwaage 30 hält dabei die Druckdifferenz über der Ablaufmessblende 20 konstant und ermöglicht somit ein lastdruckunabhängiges Senken.
Da sich die Druckwaage 30 in einer Regelposition befindet, ist die Federseite des Drosselelements 38 mit dem Tank verbunden. Das Drosselelement 38 ist demnach vollständig geöffnet und stellt über die Brückenleitung 40 eine Verbindung zwischen dem Zylinderablauf, d. h. der Rücklaufleitung 18 stromab der Ablaufmessblende 20 und der Saugleitung 12 der Pumpe 1 her. Dadurch erhöht sich der Druck in der Pumpensaugleitung 12 auf den Kolbenkammerdruck abzüglich der Druckdifferenz bzw. dem Differenzdruckwert über der Ablaufmessblende 20.
Ist nunmehr der Systemdruck (stromab von der Pumpe 1) höher als der Druck in der Saugleitung 12 der Pumpe 1, arbeitet die Pumpen/Motor-Einheit 1 als Pumpe, aufgrund des erhöhten Ansaugdrucks jedoch mit geringerer Druckdifferenz über der Pumpe 1. Dadurch muss weniger Leistung von der Antriebswelle abgefordert werden. Ist der Systemdruck jedoch geringer als der Druck in der Pumpensaugleitung 12, arbeitet die Pumpen/Motor-Einheit 1 als Motor und gibt mechanische Leistung an die Antriebswelle ab.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Druck in der Saugleitung 12 der Pumpe 1 im Fall des dritten Ausführungsbeispiels dem Kolbenkammerdruck abzüglich der Druckdifferenz über der Ablaufmessblende 20 entspricht und damit größer sein kann, als der Druck im Druckspeicher 36. Dies erlaubt eine höhere Ausnutzung der freiwerdenden potentiellen Energie. Nur die nicht von der Pumpe 1 (Hydromaschine) benötigte Menge an Druckmittel wird über die Druckwaage 30 auf das Speicherdruckniveau abgedrosselt und im Druckspeicher 36 gespeichert bzw. bei vollem Speicher 36 in den Tank entspannt.

6. Der Volumenstrom über der Ablaufmessblende 20 ist kleiner als der von der Pumpe 1 benötigte Volumenstrom.

In diesem Betriebszustand wird der gesamte ablaufende Volumenstrom der Pumpe 1 zur Verfügung gestellt. Da nun jedoch keine Restmenge an Druckmittel dem Druckspeicher 36 mehr zugeführt wird, schließt sich die Druckwaage 30 fast vollständig. Ferner muss die von der Pumpe 1 zusätzlich benötigte Druckmittelmenge aus dem Speicher 36 oder, falls der Speicher 36 bereits leer ist, aus dem Tank entnommen werden. Hierzu wird der Druck in der Saugleitung 12 der Pumpe 1 über das Drosselelement 38 auf Speicherniveau abgedrosselt, um eine Druckmittelmenge über das zusätzliche Rückschlagventil 42 stromauf zur Anschlussstelle der Brückenleitung 40 an die Rückführleitung 18 aus dem Speicher 36 entnehmen zu können. Da, wie bereits ausgeführt wurde, die Druckwaage 30 in diesem Betriebszustand fast vollständig geschlossen ist, schließt die Druckentlastung (Leckageleitung) 44 des Drosselelements 38. Somit liegt auf der Federseite des Drosselelements 38 der Druck in der Saugleitung 12 an und das Drosselelement 38 schließ soweit, bis der Druck in der Saugleitung 12 dem Speicherdruck entspricht. Dadurch kann das zusätzliche Rückschlagventil 42 in der Rückführleitung 18 stromab zur Druckwaage 30 öffnen und eine Verbindung vom Speicher 36 in die Pumpensaugleitung 12 herstellen. Falls schließlich der Druckspeicher 36 völlig entleert ist, sinkt der Druck in der Pumpensaugleitung 12 auf das Tankniveau ab, wobei das Rückschlagventil 14 in der Saugleitung 12 eine Verbindung zum Tank herstellt. Die zusätzlich benötigte Druckmittelmenge kann dann aus dem Tank entnommen werden.
In diesem Zusammenhang soll noch auf die folgenden Zusatzfunktionen des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung hingewiesen werden:
Das der Ablaufmessblende 20 unmittelbar nachgeschaltete Rückschlagventil 22 in der Rückführleitung 18 stellt in allen genannten Betriebszuständen sicher, dass es zu keiner Bewegungsumkehr im Hubzylinder 8 kommt, falls der Druck im Druckspeicher 36 größer wird als der Druck in der Kolbenkammer 16 des Hubzylinders 8. Der maximale Speicherdruck kann über das Druckbegrenzungsventil 34 eingestellt werden oder ist auf einen festen Wert voreingestellt. Zur ausreichenden Versorgung der Ringkammer 6 des Hubzylinders 8 mit Druckmittel wird das Druckreduzierventil 28 verwendet, das in der Kurzschlussleitung 24 zwischengeschaltet ist, wie dies bereits anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Dieses Druckreduzierventil 28 stellt über das unmittelbar nachgeschaltete Rückschlagventil 26 eine Verbindung von Kolbenkammer 16 zur Ringkammer 6 des Hubzylinders 8 her, falls der Druck in der Ringkammer 6 einen definierten Druckwert unterschreitet.
Des Weiteren wirkt das Proportionalventil bzw. Drosselelement 38 in dem vorstehenden 6. Betriebszustand zusammen mit der Druckwaage 30 quasi als vorgesteuerte Druckwaage, wobei das Drosselelement 38 die Hauptstufe darstellt.
In der 6 ist die Kennlinie der Druckwaage 30 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Darin ist der Verlauf der Blendenquerschnitte 30a und 30b der Druckwaage 30 über dem Hub des Ventilschiebers aufgetragen. Ein Hub von 0 mm entspricht dabei einer vollständig geöffneten Regelblende 30b der Druckwaage 30 und einer geöffneten Tankentlastung 30a, wie sie in der 3 gezeigt ist.
Aus der 6 ist zu entnehmen, dass die Tankentlastung, d. h. der Entlastungspfad 30a über eine große Hubstrecke vollständig geöffnet bleibt und erst nach 6/7 der maximalen Hubstrecke (d. h. bei ca. 6.5 mm) sich schließt. Die Druckwaage 30 hat bei vollständig geschlossener Tankentlastung immer noch einen Restquerschnitt und kann daher ihre Regelfunktion weiterhin erfüllen. D. h. in dem unter Punkt 6. beschriebenen Betriebszustand regelt die Druckwaage im gemäß der 6 rechten Bereich der Kennlinie (zwischen 6 mm und 7 mm Ventilschieberhub).

Zwecks übersichtlicherer Darstellung des Erfindungsgegenstands gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel sei abschließend auf das anliegende Diagramm verwiesen, in welchem die vorstehend genannten zwei Betriebszustände für jedes Ausführungsbeispiel in Gegenüberstellung nochmals dargestellt ist.

Ausführung	Q_Pumpe < Q_Ablauf	Q_Pumpe > Q_Ablauf	Energiespeicherung möglich?
Grundausführung	P_saug = P_DBV	P_saug = p_Tank	nein
Mit Speicher	P_saug = P_Speicher	Speicher voll: P_saug = P_Speicher Speicher leer P_saug = P_Tank	ja
Mit Speicher und Drosselelement	P_saug = P_Boden – Δp	Speicher voll: P_saug = P_Speicher Speicher leer P_saug = P_Tank	ja

In der 4 ist ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das eine Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispiels darstellt. Im Nachfolgenden werden daher nur jene technischen Merkmale des vierten Ausführungsbeispiels beschrieben, die zum dritten Ausführungsbeispiel unterschiedlich sind. Ferner sind gleiche technische Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß der 4 ist die hydraulische Antriebsvorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem zusätzlichen „virtuellen” Verbraucher 50 ausgerüstet. Dieser „virtuelle” Verbraucher 50 soll es ermöglichen, eine zusätzliche Menge an Druckmittel über die Pumpen/Motor-Einheit 1 zu fördern, auch wenn die Menge an Druckmittel aktuell nicht von den eigentlichen (klassischen) Verbrauchern benötigt wird. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn sich die Pumpen/Motor-Einheit 1 im motorischen Betrieb befindet (energetischer Überschuss) und mechanische Leistung an die Antriebswelle abgibt. Auf diese Weise kann mehr Druckmittel als von den klassischen Verbrauchen gerade verbraucht wird, durch die Pumpen/Motor-Einheit 1 durchgedrückt werden und somit mehr Leistung an die Kurbelwelle abgegeben werden. Der „virtuelle” Verbraucher 50 kann beispielsweise der Tank, ein weiterer Druckspeicher oder dergleichen Hydraulikbauteile sein.
Auch kann die an der Antriebswelle abgegebene mechanische Leistung z. B. in einem zusätzlichen Hybridmodul gespeichert werden. Der „virtuelle” Verbraucher wird dann so eingestellt, dass die Hydromaschine möglichst die vollständige vom Hubzylinder 8 gelieferte Menge an Druckmittel abnimmt.
In der 5 ist schließlich ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem sind ebenfalls gleiche technische Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 5 ist als ein mögliches praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung die hydraulische Anordnung mit Energie-Rückgewinnungsfunktion gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel in Kombination mit einer hydraulischen Antriebseinrichtung für einen Ausleger-Doppelhubzylinder 52 und Parallelverbraucher (Bucket) 54 dargestellt, wobei die Funktion „Ausleger heben” des Doppelhubzylinders 54 sowie der Parallelverbraucher in klassischer LUDV-Technik gesteuert werden Für die Funktion „Ausleger senken” wird die vorstehend beschriebene Anordnung vorzugsweise gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eingesetzt.
Konkret ist die Druckmittelpumpe 1 über zwei manuell (über eine ECU) betätigbare Proportionalventile 56, 58 mit den beiden vorstehend genannten Verbrauchern 52, 54 verbunden, um diese lastunabhängig anzuheben. Eine derartige hydraulische Antriebseinrichtung (gemäß der LUDV-Technik) ist aus dem Stand der Technik auch der vorliegenden Anmelderin hinlänglich bekannt, sodass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Im Fall des „Last Senkens” verbindet das entsprechend betätigte Proportinalventil 56, 58 die betreffenden Kolbenkammern des Doppelhubzylinders 52 oder des Parallelverbrauchers 54 mit der Rückführleitung 18, in welcher die Druckwaage 30 zwischengeschaltet sowie das Drosselelement 38 in der gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen Art daran angeschlossen ist. Auf diese Weise wird je nach Betriebssituation Druckmittel zur Saugseite der Druckmittelpumpe 1 zurückgefördert, um die darin enthaltene Energie rückzugewinnen.
Bezugszeichenliste

1: Pumpen/Motor-Einheit
2: Motor
4: Zuführleitung
6: Ringkammer
8: Hubzylinder
10: Zulaufmessblende/Drossel
12: Ansaugleitung
14: Rückschlagventil
16: Kolbenkammer
18: Rückführleitung
20: Ablaufmessblende/Drossel
22: Rückschlagventil
24: Kurzschlussleitung
26: Rückschlagventil
28: Druckreduzierventil
30: Druckwaage
30a: Entlastungspfad
30b: Regelblende
32: Druckentlastungsleitung
34: Druckbegrenzungsventil
36: Druckspeicher
38: Drosselelement
40: Brückenleitung
42: Zusätzliches Rückschlagventil
44: Leckageleitung
46: Zwischenleitung
48: Drossel
50: Virtueller Verbraucher
52: Doppelhubzylinder
54: Parallelverbraucher
56, 58: Proportionalventile

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4416173 C2 [0003]

Claims

Hydraulische Antriebseinrichtung mit Energie-Rückgewinnungsfunktion bestehend aus einer Druckmittelpumpe (1) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (8) mit Druckmittel und einer Rückführleitung (18) zur Abfuhr des Druckmittels aus dem Verbraucher (8) dadurch gekennzeichnet, dass das abgeführte Druckmittel unter einem vorbestimmten oder vorbestimmbaren Rückgewinnungsdruck zur Saugseite der Druckmittelpumpe (1) rückgeführt wird.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Rückführleitung (18) vom Verbraucher (8) kommt und in eine Ansaugleitung (12) der Druckmittelpumpe (1) einmündet.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (12) zwischen der Einmündung der Rückführleitung (18) und einem Druckmitteltank ein Ventil, vorzugsweise ein Rückschlagventil (14) angeordnet ist, dass lediglich einen Druckmittelstrom aus dem Tank zur Pumpe (1) zulässt.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Druckwaage (30) in der Rückführleitung (18), die bei einem vorbestimmten oder vorbestimmbaren Abführdruck und vorzugsweise bei einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren Druckdifferenz über einer vorgeschalteten Drossel (20) die Rückführleitung (18) öffnet.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Druckbegrenzungsventil (34), das in einer stromab zur Druckwaage (30) an die Rückführleitung (18) angeschlossenen Überdruckleitung (32) zwischengeschaltet ist und die Ausgangsseite der Druckwaage (30) auf den vorbestimmten oder vorbestimmbaren Rückgewinnungsdruck vorspannt.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (36), der vom Rückgewinnungs-Volumenstrom geladen wird.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (36) an die Saugseite der Druckmittelpumpe (1) angeschlossen ist.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Drosselelement (38), mittels dem eine Druckmittelverbindung zwischen dem zumindest einen Verbraucher (8) und der Saugseite der Druckmittelpumpe (1) herstellbar ist.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit zumindest Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (38) in einer Brückenleitung (40) zwischengeschaltet ist, welche die Druckwaage (30) umgeht.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (38) ein Proportionalventil ist, dessen eine Steuerseite von einem gedrosselten Ausgangsdruck der Druckwaage (30) und dessen andere Steuerseite federvorgespannt sowie über eine zusätzliche Drossel (48) enthaltende Steuerleitung von einem Steuerdruck beaufschlagbar ist, der vom Ausgangsdruck des Drosselelements (38) und/oder vom bereits gedrosselten Ausgangsdruck der Druckwaage (30) abgegriffen wird.
Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwaage (30) in einer die Rückführleitung (18) öffnenden Stellung die federvorgespannte Steuerseite des Drosselelements (38) druckentspannt und in einer die Rückführleitung (18) schließenden Steueraktivität den Steuerdruck an der federvorgespannten Steuerseite des Drosselelements (38) aufbaut.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren Verbraucher (50), der von der Druckmittelpumpe (1) mit Druckmittel versorgt wird.
Hydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verbraucher (50) ein Druckmittelspeicher oder eine Generatorpumpe ist.