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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwenkantrieb mit Energierückgewinnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Das Drehwerk eines Krans, eines Baggers oder eines anderen gattungsgemäßen Arbeitsfahrzeugs wird in der Regel durch eine durch ihre Nullstellung hindurch vierschwenkbare sowie verstellbare Hydromaschine als hydraulischer Verbraucher angesteuert, die ihre Leistung auf eine Abtriebswelle abgibt. Das Drehwerk kann hierdurch in beiden Drehrichtungen gebremst und beschleunigt werden. Auf der Druckseite der verstellbaren Hydromaschine ist hierfür eine Druckmittelquelle beispielsweise in Form eines hydraulischen Speichers und einer Pumpe angeordnet, wobei der Speicher hydraulisches Fluid mit einem Betriebsdruck liefert, und der beim Bremsen (Verzögerungsbetrieb des Drehwerks) hydraulisches Fluid aufnimmt.
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Aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der anmeldereigenen Publikation „Sekundärregelung mit Axialkolbeneinheiten” ist grundsätzlich eine Hydromaschine sowie deren hydraulische Anbindung an einen Verbraucher gemäß der vorliegenden Gattung bereits bekannt, wie sie prinzipiell in der Hydraulikschaltung gemäß der 3 dargestellt ist.
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Demzufolge ist an eine Pumpe/Motor-Einheit (Sekundärantriebseinheit) auf deren Hochdruckseite ein Druckmittelspeicher angeschlossen, der wiederum über eine Druck- oder Pumpenleitung mit einer Hydraulikpumpe (Primärantrieb) fluidverbunden ist. Bei der Pumpe/Motor-Einheit handelt es sich um eine verstellbare Druckpumpe, deren Schluck-/Fördervolumen von einer Regelelektronik geregelt wird. Die Hydraulikpumpe als Primärantrieb ist ebenfalls verstellbar und wird durch einen Druckregler geregelt. Der Primärantrieb versorgt die Sekundärantriebseinheit im Pumpenbetrieb über die Druckleitung mit einem Druckmittel, wobei die Höhe des Volumenstroms vom Primärantrieb zur Sekundärantriebseinheit in Abhängigkeit von deren aktuellem Betriebsmittelbedarf geregelt wird.
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Durch den Speicher auf der Hochdruckseite der Pumpe/Motor-Einheit werden Volumenstromspitzen abgedeckt. Weiterhin dient der Speicher zur Speicherung der Energie, die von der Sekundärantriebseinheit im Pumpenbetrieb in das hydraulische Netz zurückgespeist wird, wenn keine weiteren Verbraucher aktuell vorhanden sind. Zusammen mit der druckgeregelten Primäreinheit und dem Betriebszustand der Sekundäreinheit bestimmt demzufolge der Ladezustand des Speichers und sein Vorspanndruck den eingeprägten Hochdruck des gesamten Systems.
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Obgleich durch die Anordnung des Druckmittelspeichers ein überschüssiger Volumenstrom der im Pumpenbetrieb arbeitenden Sekundärantriebseinheit grundsätzlich gespeichert und damit auch kinetische Energie rückgewonnen werden kann, so wird der Ladezustand des Druckmittelspeichers bereits im Motorbetrieb der Sekundärantriebseinheit möglichst auf sein maximales Niveau gefahren, da dieser über die Druckleitung permanent an dem verstellbaren Primärantrieb angeschlossen ist.
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Angesichts dieses Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Energieausnutzungsgrad einer gattungsgemäßen hydraulischen Regelung insbesondere durch eine verbesserte Rückgewinnung und Speicherung kinetischer Energie zu steigern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schwenkantrieb einer mobilen Arbeitsmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteransprüche.
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Die Erfindung besteht demzufolge in der Bereitstellung eines Schwenkantriebs einer mobilen Arbeitsmaschine aufweisend einen Primärantrieb, durch den eine Sekundärantriebseinheit über eine Pumpenleitung mit einem Betriebsmittel versorgt werden kann. An die Sekundärantriebseinheit ist ein Betriebsmittelspeicher (auf deren Druckseite) angeschlossen, der im Pumpenbetrieb der Sekundärantriebseinheit ein darin gespeichertes Betriebsmittel bedarfsgerecht an die Sekundärantriebseinheit abgibt und der im Motorbetrieb der Sekundärantriebseinheit Betriebsmittel von der Sekundärantriebseinheit wieder aufnimmt. Erfindungsgemäß ist in der Pumpenleitung ein Speicherladeventil vorzugsweise in Form eines Wegeventil zwischengeschaltet, über das der Betriebsmittelspeicher bei Bedarf, d. h. in geregelter/gesteuerter Weise, vom Primärantrieb mit Betriebsmittel versorgt wird.
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Dies hat den Vorteil, dass die Versorgung des Betriebsmittelspeichers erst bei Unterschreiten eines bestimmten Speicherdrucks aktiviert wird. Die Versorgungsmenge kann dabei vorzugsweise so eingestellt sein/werden, dass sie der aktuell an der Primärantriebseinheit zum Antrieb des Drehwerks verbrauchten Betriebsmittelmenge entspricht. Damit entfällt ein ständiges Vorhalten eines hohen Drucks im Speicher, wodurch sich dieser eine ausreichende Speicherkapazität zur Aufnahme von Betriebsmittel im Rückgewinnungsmodus der Sekundärantriebseinheit (d. h. im Brems- bzw. Verzögerungsbetrieb) erhält.
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Vorzugsweise ist das Wegeventil als LS-Ventil (load-sensing) und weiter vorzugsweise als LUDV-Ventil (lastunabhängige Durchflussverteilung) mit einer Druckwaage versehen, die dem Wegeventil nachgeschaltet ist. Hierdurch wird die Versorgungsmenge präzise steuerbar.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht des Weiteren die Anordnung einer Elektronik vor, die in Abhängigkeit des Ladezustands des Speichers das Wegeventil in der Pumpenleitung öffnet, um mindestens soviel Betriebsmittel der Sekundärantriebseinheit zuzuführen, wie diese aktuell verbraucht.
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Hierfür ist es vorzugsweise vorgesehen, einen Drucksensor am Speicher, oder einer Druckleitung anzuordnen, an die der Speicher angeschlossen ist, um den Ladezustand des Speichers zu erfassen und ein entsprechendes Signal an die Elektronik abzugeben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt die prinzipielle Hydraulikschaltung eines gattungsgemäßen Schwenkantriebs nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 zeigt die Entladekurve eines Betriebsmittelspeichers, wie er im erfindungsgemäßen Schwenkantrieb verwendet wird und
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3 zeigt einen Hydraulikantrieb gemäß dem Stand der Technik.
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Gemäß der 1 ist ein rotatorischer Antrieb 1 zum Betätigen eines Drehwerks 4 eines nicht weiter dargestellten Arbeitsfahrzeugs als eine sekundär geregelte Pumpen/Motor-Einheit ausgeführt. Die Hochdruckseite der Pumpen/Motor-Einheit 1 ist mit einem hydraulischen Betriebsmittelspeicher (Druckspeicher) 2 verbunden, wohingegen die Niederdruckseite der Pumpen/Motor-Einheit 1 vorliegend an einen Betriebsmitteltank 6 angeschlossen ist.
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Die Pumpen/Motor-Einheit 1 ist über eine Abtriebswelle mit dem Drehwerk 4 des Arbeitsfahrzeugs, beispielsweise eines Krans, Baggers, Staplers, etc. ggf. über ein (nicht gezeigtes) Getriebe gekoppelt. An der Abtriebswelle und/oder dem Rotor der Pumpen/Motor-Einheit 1 ist ein Drehzahl- oder Drehgeschwindigkeitssensor 5 angeordnet, der die Drehzahl der Welle und/oder des Rotors erfasst und ein diese repräsentierendes Signal an eine Elektronik (ECU) abgibt. Des Weiteren ist am Betriebsmittelspeicher 2 und/oder an einer Druckleitung zwischen dem Speicher 2 und der Pumpen/Motor-Einheit 1 ein Drucksensor 7 angeordnet, der den Druck in der Druckleitung/dem Speicher 2 erfasst und ein entsprechendes Drucksignal an die Elektronik (ECU) abgibt.
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Zur Steuerung/Regelung der Pumpen/Motor-Einheit 1 hat diese einen vorzugsweise elektrisch/mechanischen Verstellmechanismus, über den das Schluck-/Fördervolumen der Pumpen/Motor-Einheit 1 einstellbar ist. Der Verstellmechanismus ist mit der Elektronik (ECU) verbunden, an die zusätzlich ein manuell betätigbares Steuerelement 9, beispielsweise ein Joystick oder dergleichen Handhabe elektrisch angeschlossen ist.
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Der erfindungsgemäße Schwenkantrieb hat ferner eine vorzugsweise verdrängungsvariable Druckpumpe 10 als ein Primärantrieb, die über eine Antriebswelle mit einem Elektro- oder Verbrennungsmotor des Arbeitsfahrzeugs mechanisch gekoppelt oder (über eine Kupplung) koppelbar ist. Ein Eingangsanschluss der Druckpumpe 10 ist mit dem Betriebsmitteltank 6 über eine Saugleitung fluidverbunden, wohingegen ein Ausgangsanschluss der Druckpumpe 10 an eine Betriebsmittelzuführleitung bzw. Pumpenleitung 8 angeschlossen ist, die wiederum mit der Hochdruckseite der Pumpen/Motor-Einheit 1 verbunden ist und somit die Pumpen/Motor-Einheit 1 und den Betriebsmittelspeicher 2 mit Betriebsmittel versorgen kann.
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In die Pumpenleitung 8 ist stromauf zum Betriebsmittelspeicher 2 ein Wegeventil 3 zwischengeschaltet, das u. a. die Funktion eines Speicherladeventils übernimmt. Vorzugsweise ist das Wegeventil 3 als ein integraler Bestandteil eines Mobilsteuerblocks des Arbeitsfahrzeugs ausgebildet, das elektrisch betätigbar ist und zu diesem Zweck an die Elektronik (ECU) angeschlossen ist.
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Alternativ hierzu kann das Speicherladeventil 3 als ein LS oder LUDV Ventil ausgebildet sein, wofür stromab vom Speicherladeventil 3 eine Druckwaage in die Pumpenleitung 8 zwischengeschaltet werden muss.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Zum Beschleunigen/Antreiben des in 1 lediglich als Masse m dargestellten Drehwerks 4 arbeitet die sekundär geregelte Pumpen/Motor-Einheit 1 als Motor und entnimmt den aktuell benötigten Betriebsmittelvolumenstrom aus dem Betriebsmittelspeicher 2. Der Speicher 2 wird hierbei entsprechend seiner spezifischen Entladekurve (siehe 2, von Punkt 1 nach Punkt 2) entladen. Während einer Bremsphase des Drehwerks 4 arbeitet die Pumpen/Motor-Einheit 1 als Pumpe und fördert ein Betriebsmittelvolumen aus dem Tank 6 zurück in den Betriebsmittelspeicher 2. Hierbei wird der Speichern entsprechend seiner Ladekurve (siehe 2, von Punkt 2 nach Punkt 1) gefüllt.
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Wird der Betriebsmittelspeicher 2 während des Motorbetriebs der Pumpen/Motor-Einheit 1 soweit entleert, dass er einen (vor-)definierten minimalen Druck unterschreitet (siehe 2, Punkt 3), wird dies von dem Drucksensor 7 erkannt, der ein entsprechendes Ducksignal an die Elektronik (ECU) abgibt. Diese steuert dementsprechend die verdrängungsvariable Druckpumpe 10 und/oder das Wegeventil 3 an, um mindestens so viel Betriebsmittel aus der Pumpenleitung 8 über das Wegeventil bzw. Speicherladeventil 3 der Pumpen/Motor-Einheit 1 zuzuführen, wie diese aktuell verbraucht.
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Daraus ergibt sich, dass dem Drehwerk 4 bzw. der dieses antreibenden Pumpen/Motor-Einheit 1 nur soviel Energie in Form von Betriebsmittelvolumenstrom aus der Pumpenleitung 8 über das Speicherladeventil 3 zugeführt wird, wie sich aus den Verlusten der einzelnen hydraulischen Komponenten bzw. den asymmetrischen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen ergibt. Auf diese Weise kann der Energieausnutzungsgrad des Schwenkantriebs erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpen/Motor-Einheit
- 2
- Betriebsmittelspeicher
- 3
- Speicherladeventil
- 4
- Drehwerk
- 5
- Drehgeschwindigkeitssensor
- 6
- Tank
- 7
- Drucksensor
- 8
- Pumpenleitung
- 9
- Handhabe
- 10
- verdrängungsvariable Druckpumpe