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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es sind mobile Arbeitsmaschinen bekannt, die eine erste und eine zweite Hydraulikpumpe aufweisen. Die erste Hydraulikpumpe, auch Arbeitspumpe genannt, dient zur Versorgung von meist mehreren ersten Verbrauchern wie beispielsweise dem Fahrantrieb mit Rädern oder Ketten, dem Antrieb eines drehbaren Aufbaus, dem Antrieb eines beweglichen Auslegerarmes mit mehreren Gelenken oder dem Antrieb der Lenkung. Die Bewegungen der verschiedenen Verbraucher werden mit einer ersten Steuereinrichtung, insbesondere einem Ventilblock mit mehreren gesonderten Ventilscheiben für die verschiedenen Verbraucher, gesteuert. Der Fluidstrom der ersten Hydraulikpumpe wird dabei vorzugsweise nach dem Prinzip der lastunabhängigen Durchflussverteilung (LUDV) auf die verschiedenen Verbraucher aufgeteilt, wobei auch andere Steuerungsprinzipien wie Load Sensing oder Open Center denkbar sind. Die Arbeitspumpe besitzt meist ein hohes maximales Fördervolumen, damit die Bewegungen der verschiedenen Verbraucher schnell ausgeführt werden können. Die Arbeitspumpe kann über ein verstellbares Verdrängungsvolumen verfügen, so dass nur der Fluidstrom bereitgestellt wird, der für die gewünschte Bewegung der Verbraucher tatsächlich benötigt wird. Hierdurch werden gegenüber einer Konstantpumpe Energieverluste vermieden.
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Mobile Arbeitsmaschine besitzen neben der Arbeitspumpe weitere Hydraulikpumpen, die auf bestimmte Verbraucher im Hinblick auf größtmögliche Energieeffizienz besonders zugeschnitten sind. Zu nennen ist die Steuerölpumpe, die das Hydraulikfluid zum Betrieb von Vorsteuerventil und dergleichen bereitstellt. Weiter ist der Antrieb des Lüfterrades zur Kühlung des Hydraulikfluids der mobilen Arbeitsmaschine zu nennen. Die weiteren Hydraulikpumpen sind meist besonders kostengünstig ausgelegt. Sie besitzen daher ein konstantes Verdrängungsvolumen und sind beispielsweise als Zahnradpumpe ausgeführt, wobei auch andere Ausführungsformen vorkommen.
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Aus der
DE 10 2009 053 618 A1 ist bekannt, das von einem Verbraucher der Arbeitspumpe zurückfließende Hydraulikfluid unter einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks über eine Rückführleitung an den Fluideingang der Arbeitspumpe zurückzuführen. Die Arbeitspumpe bringt dieses Hydraulikfluid auf Betriebsdruck. Hierdurch wird gegenüber dem direkten Ansaugen aus dem Tank eine Energiemenge eingespart, die sich aus dem Überdruck des zurückfließenden Hydraulikfluids und dem Förderstrom der Arbeitspumpe errechnet. Ein Arbeitsgerät mit besonders hohem Energierückgewinnungspotential ist der Ausleger einer mobilen Arbeitsmaschine, mit dem schwere Lasten gehoben und wieder abgesenkt werden sollen. Dabei kommen Hydromotoren zum Antrieb einer Seilwinde oder Hydraulikzylinder zum Antrieb der verschiedenen Gelenke und Teleskope des Auslegerarms als Verbraucher von Hydraulikfluid in Betracht. Beim Absenken der schweren Last fließt Hydraulikfluid von den genannten Verbrauchern zurück, welches durch Androsseln auf einen Druck deutlich oberhalb des Umgebungsdrucks gebracht werden kann, bevor es in die Rückführleitung fließt.
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Damit das genannte zurückströmende Hydraulikfluid nicht in den Tank zurückfließt sondern in die Arbeitspumpe hinein, ist am Fluideingang der Arbeitspumpe ein Rückschlagventil vorgesehen, wobei die Rückführleitung in die Eingangsleitung einmündet, welche das Rückschlagventil mit dem Fluideingang der Arbeitspumpe verbindet. Dieses Rückschlagventil muss mit einem großen Strömungsquerschnitt ausgelegt werden, damit der Druckabfall am Rückschlagventil klein ist, wenn die Arbeitspumpe Hydraulikfluid über das Rückschlagventil aus dem Tank ansaugt. Wenn der Druckabfall zu groß ist kommt es zur Kavitation am Fluideingang der Arbeitspumpe, wodurch diese beschädigt werden kann. Weiter beeinflusst der veränderliche Ansaugdruck die Regelung des Förderdrucks der Arbeitspumpe, die beim oben angesprochenen LUDV-Prinzip zwingend erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das vorstehende Energierückgewinnungsprinzip bei einer bekannten mobilen Arbeitsmaschine in einfacherer Weise nutzbar zu machen, wobei insbesondere die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden sollen.
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Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Fluideingang der zweiten Hydraulikpumpe über eine Rückführleitung derart mit wenigstens einem ersten Verbraucher verbunden ist, dass von dem wenigstens einen ersten Verbraucher zurückfließendes Hydraulikfluid mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks in die zweite Hydraulikpumpe fließen kann. Das zurückströmende Hydraulikfluid wird also nicht mehr in die erste Hydraulikpumpe (Arbeitspumpe) zurückgeführt, sondern in eine andere zweite Hydraulikpumpe. Die zweite Hydraulikpumpe kann ohne Weiteres sehr einfach aufgebaut sein, damit das zurückfließende Hydraulikfluid den Betrieb der zweiten Pumpe möglichst wenig stört. Derartige einfache Hydraulikpumpen sind bei einer mobilen Arbeitsmaschine ohnehin meist vorhanden, beispielsweise in Form der Steuerölpumpe oder der Pumpe für den Antrieb eines Lüfterrads, wie oben bereits angesprochen. Damit kann das an sich bekannte Energierückgewinnungsprinzip mit geringerem Aufwand zur Anwendung gebracht werden.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Der Fluideingang der zweiten Hydraulikpumpe kann über eine Eingangsleitung mit einem Ventil, vorzugsweise einem Rückschlagventil verbunden sein, welches wiederum mit dem Tank verbunden ist, wobei das Ventil so eingebaut ist, dass ein Rückfluss von Hydraulikfluid aus der zweiten Hydraulikpumpe über die Saugleitung in den Tank unterbunden werden kann, wobei die Rückführleitung in die Eingangsleitung einmündet. Hierdurch wird verhindert, dass das über die Rückführleitung zurückfließende Hydraulikfluid in den Tank entweicht, wobei es nicht in die zweite Hydraulikpumpe fließt. Anstelle eines Rückschlagventils kann ein elektrisch oder elektrohydraulisch betätigtes Ventil verwendet werden.
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Der Fluidausgang der zweiten Hydraulikpumpe kann mit einem Bypassventil verbunden sein, mit dem aus der zweiten Hydraulikpumpe heraus fließendes Hydraulikfluid wahlweise im Wesentlichen ohne Gegendruck in den Tank geleitet werden kann, wobei die zweite Hydraulikpumpe als Hydromotor arbeiten kann. Hierdurch kann die zweite Hydraulikpumpe unmittelbar als Verbraucher des zurückfließenden Hydrauliköls genutzt werden. Sofern die die erste und die zweite Hydraulikpumpe vom gleichen Motor, beispielsweise einem Dieselmotor angetrieben werden, wird dieser durch die zweite Hydraulikpumpe entlastet. Die zweite Hydraulikpumpe kann aber auch von einem Elektromotor angetrieben werden, der wiederum von einem Drehzahlregler oder Frequenzumrichter mit elektrischer Energie versorgt wird. Hierdurch kann die hydraulische Energie des zurückfließenden Hydraulikfluids in elektrische Energie umgewandelt werden, welche wiederum in eine Batterie oder ein elektrisches Stromnetz eingespeist werden kann. Die hydraulische Energie des zurückfließenden Hydraulikfluids geht somit auch dann nicht verloren, wenn kein Verbraucher der zweiten Hydraulikpumpe Hydraulikfluid benötigt.
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Die erste Hydraulikpumpe kann einen höheren maximalen Förderstrom aufweisen als die zweite Hydraulikpumpe. Das oben angesprochene Rückschlagventil kann dann mit einem kleineren Strömungsquerschnitt ausgeführt werden als bei der bekannten Rückförderung unmittelbar in die erste Hydraulikpumpe (Arbeitspumpe).
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Die erste Hydraulikpumpe kann ein verstellbares Verdrängungsvolumen aufweisen, wobei das Verdrängungsvolumen der zweiten Hydraulikpumpe konstant ist. Die zweite Hydraulikpumpe ist damit besonders kostengünstig. Vorzugsweise ist daran gedacht, die zweite Hydraulikpumpe in Form einer Zahnradpumpe auszuführen. Weiter stört das zurückströmende Hydraulikfluid nicht die Einstellung des veränderlichen Verdrängungsvolumens im Rahmen der Regelung des Förderdrucks der ersten Hydraulikpumpe. Bei der zweiten Hydraulikpumpe findet eine derartige Verstellung von vorne herein nicht statt.
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Es kann eine erste Steuereinrichtung vorgesehen sein, über welche der wenigstens eine erste Verbraucher mit der ersten Hydraulikpumpe und dem Tank verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung eine Bewegung des wenigstens einen ersten Verbrauchers steuern kann, wobei die Rückführleitung mit der ersten Steuereinrichtung verbunden ist. Bei der ersten Steuereinrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Ventilblock mit mehreren gesonderten Ventilscheiben für die einzelnen Verbraucher. Der Ventilblock arbeitet vorzugsweise nach dem LUDV- oder dem Load-Sensing-Prinzip, d. h. die Fluidströme zu den einzelnen Verbrauchern werden mit Stromregelventilen unter Zuhilfenahme einer Druckwaage eingestellt. Andere Steuerungsprinzipien wie beispielsweise Positive Control oder Open Center sind jedoch nicht ausgeschlossen. Das zurückfließende Hydraulikfluid muss ohnehin durch die erste Steuereinrichtung fließen, wenn die Verbraucher mehrere Bewegungsrichtungen aufweisen. Damit kann das zurückfließende Hydraulikfluid in der ersten Steuereinrichtung besonders einfach in die Rückührleitung abgezweigt werden, wobei überschüssiges Hydraulikfluid ohne Weiteres in den Tank abgeleitet werden kann.
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Die erste Steuereinrichtung kann mit einem Hydrospeicher verbunden sein, so dass von dem wenigstens einen ersten Verbraucher zurückfließendes Hydraulikfluid unter einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks in den Hydrospeicher gefüllt werden kann, wobei Hydraulikfluid aus dem Hydrospeicher in die Rückführleitung fließen kann. Die ersten Verbraucher benötigen oft während kurzer Zeiträume sehr große Fluidströme, so dass auch der zurückfließende Fluidstrom entsprechend groß ist. In den übrigen Zeiten stehen die ersten Verbraucher oft still. Die zweiten Verbraucher benötigen hingegen oft einen kleinen Fluidstrom, der jedoch nahezu ununterbrochen benötigt wird. Durch den vorgeschlagenen Hydrospeicher kann dieses unterschiedliche Verbrauchsverhalten kompensiert werden, ohne dass es zu erheblichen Energieverlusten kommt.
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Die erste Steuereinrichtung kann einen Druckregler mit einem vorzugsweise verstellbaren Drucksollwert umfassen, wobei der Druckregler den Fluiddruck in der Rückführleitung regeln kann. Hierdurch kann der genannte Fluiddruck auf den Betrag eingestellt werden, der zum optimalen Betrieb der zweiten Hydraulikpumpe erforderlich ist. Durch einen verstellbaren Drucksollwert kann auf einen zeitlich veränderlichen Druckbedarf reagiert werden.
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Die erste Steuereinrichtung kann gleichzeitig ein zweiter Verbraucher sein. In der ersten Steuereinrichtung wird typischerweise Steueröl benötigt, das beispielsweise zum Betrieb von Vorsteuerventilen erforderlich ist. Dieses Steueröl kann energiesparend von der zweiten Hydraulikpumpe bereitgestellt werden.
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Die zweite Hydraulikpumpe kann eine verstellbares Verdrängungsvolumen aufweisen, wobei die erste und die zweite Hydraulikpumpe in Drehantriebsverbindung stehen. Damit kann die zweite Hydraulikpumpe die erste Hydraulikpumpe antreiben und mithin deren Antriebsmotor entlasten. Die Verstellung des Verdrängungsvolumens der zweiten Hydraulikpumpe ist dabei notwendig damit der zurückfließende Fluidstrom und die Drehzahl der zweiten Hydraulikpumpe aneinander angepasst werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Es stellt dar:
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1 einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems.
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Das hydraulische Antriebssystem 10 nach 1 umfasst einen Tank 11, der mit Hydraulikfluid, insbesondere Hydrauliköl, gefüllt ist, welches unter Umgebungsdruck steht. Eine erste Hydraulikpumpe 20 saugt Hydraulikfluid aus dem Tank 11 an, um die vorzugsweise mehreren ersten Verbraucher 24 zu versorgen. Die erste Hydraulikpumpe 20 besitzt ein verstellbares Verdrängungsvolumen, so dass nur der Fluidstrom gefördert wird, der von den ersten Verbrauchern 24 benötigt wird, um Energieverluste zu vermeiden. Die erste Hydraulikpumpe 20 ist vorzugsweise als Schrägachsen- oder Schrägscheibenmaschine ausgeführt und wird von einem Dieselmotor 21 angetrieben.
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Bei den ersten Verbrauchern 24 handelt es sich vorzugsweise um solche, die mechanische Arbeit verrichten. Insbesondere ist an Verbraucher gedacht, welche die verschiedenen Arbeitsbewegungen einer (nicht dargestellten) mobilen Arbeitsmaschine ausführen. Zu nennen sind Hydromotoren 25 für den Fahrantrieb, für die Bewegung eines gegenüber dem Grundfahrzeug drehbeweglichen Aufbaus oder für den Antrieb einer Seilwinde. Als Verbraucher kommen auch Hydraulikzylinder 26 in Betracht, welche beispielsweise die verschiedenen Gelenke und Teleskope eines Auslegerarms bewegen können.
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Mit der ersten Steuereinrichtung
22, welche vorzugsweise in Form eines Ventilblocks mit mehreren gesonderten Ventilscheiben für die einzelnen Verbraucher
24 ausgeführt ist, wird der Fluidstrom zu den einzelnen Verbrauchern
24 und deren Bewegungsrichtung gesteuert. Der Schaltungsaufbau der Steuereinrichtung
22 ergibt sich aus der bereits genannten
DE 10 2009 053 618 A1 mit dem Unterschied, dass die dort angesprochene Rückführleitung nicht zur ersten Hydraulikpumpe sondern erfindungsgemäß zur zweiten Hydraulikpumpe führt. Im Übrigen können alle dort beschriebenen Ausführungsformen als erste Steuereinrichtung
22 verwendet werden. Der gesamte Inhalt der
DE 10 2009 053 618 A1 wird in Bezug genommen und zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Die Anmelderin behält sich vor, zur Einschränkung des vorliegenden Schutzbegehrens auf den gesamten Offenbarungsgehalt der
DE 10 2009 053 618 A1 zurückzugreifen.
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Die erste Steuereinrichtung
22 ist mit dem Tank
11 verbunden, damit nicht für die zweite Hydraulikpumpe
30 benötigtes zurückströmendes Hydraulikfluid dorthin abgeleitet werden kann. Weiter ist die erste Steuereinrichtung
22 mit einem Hydrospeicher
23 verbunden, in den von wenigstens einem ersten Verbraucher
24 zurückfließendes Hydraulikfluid unter einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks eingefüllt werden kann, wobei Hydraulikfluid aus dem Hydrospeicher
23 in die Rückführleitung
12 fließen kann. Der entsprechende Schaltungsaufbau der ersten Steuereinrichtung
22 ist in den
2 bis
5 der
DE 10 2009 053 618 A1 gezeigt.
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Die Rückführleitung 12, über die von wenigstens einem ersten Verbraucher 24 zurückfließendes Hydraulikfluid mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks in die zweite Hydraulikpumpe 30 fließen kann, ist an die erste Steuereinrichtung 22 angeschlossen, wobei sie in eine Eingangsleitung 35 einmündet. Das zurückfließende Hydraulikfluid kann beispielsweise von einer äußeren Last 27 angetrieben werden, welche einen Hydraulikzylinder 26 absenkt. Durch Androsseln des zurückfließenden Hydraulikfluids in der ersten Steuereinrichtung 22 wird dessen Druck auf einen Druck angehoben, der deutlich über dem Umgebungsdruck liegt.
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Die Eingangsleitung 35 verbindet ein Rückschlagventil 36 mit dem Fluideingang 31 der zweiten Hydraulikpumpe 30, so dass diese Hydraulikfluid aus dem Tank ansaugen kann, wobei das vom ersten Verbraucher 24 zurückfließende Hydraulikfluid nicht in den Tank 11 entweichen kann, sondern ausschließlich in die zweite Hydraulikpumpe 30 fließt. Alternativ zum dargestelltem Rückschlagventil kann ein elektromagnetisch oder ein elektrohydraulisch betätigtes Ventil zum Einsatz kommen. Die zweite Hydraulikpumpe 30 ist besonders kostengünstig als Konstantpumpe, vorzugsweise in Form einer Zahnradpumpe ausgeführt. Das maximale Fördervolumen der zweiten Hydraulikpumpe 30 ist vorzugsweise kleiner als das maximale Fördervolumen der ersten Hydraulikpumpe 20.
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Am Fluidausgang 32 der zweiten Hydraulikpumpe 30 ist optional ein Bypassventil 37 in Form eines 3/2-Wegeventils mit Federrückstellung und elektromagnetischer oder elektrohydraulischer Betätigung angeschlossen. Mit dem Bypassventil 37 kann das aus dem Fluidausgang 32 der zweiten Hydraulikpumpe 30 herausströmende Hydraulikfluid wahlweise zu den zweiten Verbrauchern 39 oder in Tank 11 geleitet werden. Im zweiten Fall treibt das von den ersten Verbrauchern 24 zurückströmende Hydraulikfluid die zweite Hydraulikpumpe 30 in der Art eines Hydromotors an. Ist die Hydraulikpumpe 30 mit der zentralen Kurbelwelle des Dieselmotors verbunden, kann somit der Dieselmotor entlastet und Energie eingespart werden. Alternativ wird die zweite Hydraulikpumpe 30 von einem Elektromotor 33 angetrieben, der von einem Drehzahlregler 34 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die als Hydromotor arbeitende zweite Hydraulikpumpe 30 treibt den Elektromotor dann in der Art eines Generators an, so dass der Drehzahlregler 34 elektrische Energie in eine (nicht dargestellte) Batterie oder in das Stromnetz zurückspeist.
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Bei den zweiten Verbrauchern 39 handelt es sich beispielsweise um einen Hydromotor, der das Lüfterrad zur Kühlung des Hydraulikfluids antreibt. Der zweite Verbraucher kann aber auch die erste Steuereinrichtung 22 sein, die Hydraulikfluid in Form von Steueröl verbraucht, das beispielsweise zum Betätigen von Vorsteuerventilen benötigt wird. Die zweite Steuereinrichtung 22 ist hierfür über eine Steuerölleitung 13 mit der ersten Steuereinrichtung 38 verbunden. Für die verschiedenen ersten Verbraucher können jeweils gesonderte zweite Hydraulikpumpen vorgesehen sein. Es kann aber auch, wie in 1 dargestellt, eine einzige zweite Hydraulikpumpe 30 vorgesehen sein, deren Fluidstrom von der zweiten Steuereinrichtung 38 auf die verschiedenen zweiten Verbraucher 39 verteilt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- hydraulisches Antriebssystem
- 11
- Tank
- 12
- Rückführleitung
- 13
- Steuerölleitung
- 20
- erste Hydraulikpumpe
- 21
- Dieselmotor
- 22
- erste Steuereinrichtung
- 23
- Hydrospeicher
- 24
- erster Verbraucher
- 25
- Hydromotor
- 26
- Hydraulikzylinder
- 27
- äußere Last
- 30
- zweite Hydraulikpumpe
- 31
- Fluideingang
- 32
- Fluidausgang
- 33
- Elektromotor
- 34
- Drehzahlregler
- 35
- Eingangsleitung
- 36
- Rückschlagventil
- 37
- Bypassventil
- 38
- zweite Steuereinrichtung
- 39
- zweiter Verbraucher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053618 A1 [0004, 0023, 0023, 0023, 0024]