DE102020211288A1

DE102020211288A1 - Hydraulisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102020211288A1
Application number: DE102020211288.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apperger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2021-08-19
Also published as: DE102020211285A1; US11598322B2; US20220082104A1; DE102020211284A1; CN114233698A; CN114165403A; US20220074396A1

Abstract

Offenbart ist ein hydraulisches Antriebssystem mit einer hydrostatischen verstellbaren Hydromaschine, vorzugsweise einer Axialkolbenmaschine, deren Schwenkwinkel druckfühlend in Richtung einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens verstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges hydraulisches Antriebssystem ist mit einer hydrostatischen Kolbenmaschine, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine (Pumpe oder Motor) ausgeführt, wobei mittels eines Verstellgerätes das Verdrängungsvolumen (Fördervolumen bzw. Schluckvolumen) einstellbar ist. Das Verstellgerät hat üblicherweise einen Stellzylinder mit einem Stellkolben, der mit einer Schwenkwiege/Schrägscheibe gekoppelt ist, um deren Schwenkwinkel und damit den Hub von in einer Zylindertrommel geführten Kolben einzustellen.
Der Grundaufbau derartiger Axialkolbenmaschinen ist beispielsweise in den auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschriften DE 10 2016 224 554 A1 und DE 10 2016 216 004 A1 beschrieben und kann daher als bekannt vorausgesetzt werden.
Dementsprechend begrenzt der im Stellzylinder geführte Stellkolben einen Stellraum, der über ein Stellventil mit einem Stelldruck beaufschlagbar ist, um die Schwenkwiege zu verschwenken oder in ihre Neutralposition zurückzustellen. Bei diesen bekannten Lösungen kann das Stellventil als Cartridge-Ventil ausgeführt sein, das in eine Aufnahme eines Gehäuses der Axialkolbenmaschine eingesetzt ist. Bei diesen Konzepten ist der Stellzylinder einfachwirkend ausgeführt, wobei die Schwenkwiege beispielsweise über eine Rückstellfeder in Richtung des maximalen Schwenkwinkels (Verdrängungsvolumen maximal) vorgespannt ist und durch Ansteuern des Stellzylinders derart, dass der Stellkolben ausfährt in Richtung einer Verringerung des Verdrängungsvolumens verstellbar ist. Dabei ist ein Steuerschieber des Stellventils über eine Rückkopplungsfeder an dem Stellkolben abgestützt, so dass eine mechanische Rückkopplung geschaffen ist. Der maximale Hub des Stellkolbens ist bei derartigen Lösungen durch einen Anschlag begrenzt (V_g-min-Anschlag), auf den der Stellkolben bei Erreichen des Maximalhubs aufläuft.
In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2014 215 024 A1 ist eine Axialkolbenmaschine offenbart, bei der ähnlich wie bei den vorbeschriebenen Lösungen ein einfachwirkender Stellzylinder verwendet wird, über den die Schwenkwiege aus der Grundstellung (Verdrängungsvolumen maximal) in Richtung der Verringerung des Verdrängungsvolumens verschwenkbar ist. Bei dieser Lösung ist die Schwenkwiege in Richtung der Grundstellung (Verdrängungsvolumen maximal) durch einen Gegenzylinder vorgespannt, der entgegengesetzt zum Stellzylinder wirkt - eine Lösung mit zwei entgegengesetzt wirkenden Zylindern (Stellzylinder, Gegenzylinder) wird auch als „Boxerverstellung“ bezeichnet.
In dieser Druckschrift wird auch vorgeschlagen, eine in Richtung der oben genannten Grundstellung (Verdrängungsvolumen maximal) wirksame Kraft durch eine Anordnung zu erzeugen, bei der die Achse einer Welle (Pumpenwelle, Triebwelle) der Axialkolbenmaschine versetzt zur Schwenkachse der Schwenkwiege ausgebildet ist, so dass im Betrieb der Axialkolbenmaschine ein dem durch den Stellzylinder aufgebrachten Schwenkmoment entgegenwirkendes internes Gegenschwenkmoment erzeugt wird, das in Richtung einer Vergrößerung des Schwenkwinkels wirkt.
Auch bei dieser bekannten Lösung erfolgt eine mechanische Rückkopplung zwischen dem Stellkolben und dem Steuerschieber.
Bekannt sind auch direktgesteuerte Axialkolbenmaschinen, bei denen der Stellkolben des Stellzylinders über eine Feder in Ausfahrrichtung vorgespannt ist, so dass die Schwenkwiege durch die Kraft dieser Feder in Ausschwenkrichtung beaufschlagt ist. In Gegenrichtung wirkt auf den Stellkolben der Druck am Druckanschluss der Axialkolbenmaschine, beispielsweise der Pumpendruck, so dass sozusagen dieser im Stellkolben mit der Federkraft verglichen wird und dementsprechend der Pumpendruck in Abhängigkeit von der Federkraft eingestellt wird. Eine derartige mechanisch direktgesteuerte Pumpe ist jedoch nicht geeignet, um einen angeschlossenen Verbraucher mit der erforderlichen Dynamik mit Druckmittel zu versorgen.
Nachteilig bei den eingangs genannten Lösungen ist, dass es bei ungünstigen Betriebsbedingungen zu Druckspitzen in dem Stellraum kommen kann, so dass der Stellkolben gegen seinen den maximalen Hub begrenzenden Anschlag fährt und es dementsprechend zu Beschädigungen am Gehäuse oder zumindest im Bereich dieses Anschlags oder des Stellkolbens kommen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Antriebssystem zu schaffen, das zum einen eine dynamische Druckregelung ermöglicht und bei dem zum anderen die Gefahr einer Beschädigung verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein hydraulisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße hydraulische Antriebssystem hat zumindest einen Aktuator und eine in Druckmittelverbindung mit dem Aktuator stehende Hydromaschine, die vorzugsweise als Hydropumpe in Axialkolbenbauweise ausgeführt ist. Das Verdrängungsvolumen der Hydromaschine ist mittels eines Stellzylinders verstellbar, der zumindest einen Stellanschluss aufweist, über den ein von einem Stellkolben begrenzter Stellraum des Stellzylinders mit einem Stelldruck beaufschlagbar ist. Dieser wirkt im Sinne einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens auf den Stellkolben. Das Antriebssystem hat des Weiteren ein mittels einer Steuereinheit ansteuerbares Stellventil zum Einstellen des Stelldrucks durch gegenläufige Veränderung des Querschnittes einer ersten und einer zweiten, jeweils durch einen Steuerschieber des Stellventils begrenzten Blende. Das Stellventil ist des Weiteren mit einem Druckanschluss ausgeführt, an dem ein Versorgungsdruck anliegt. Ein Tankanschluss des Stellventils ist mit einem Tank oder einer Steuerölsenke verbunden.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem hat des Weiteren einen Drucksensor zum Erfassen eines versorgungsseitigen Drucks (Versorgungsdrucks) des Antriebssystems und ein elektrisch angesteuertes Stellmittel zum Verstellen des Steuerschiebers in Abhängigkeit von dem Signal des Drucksensors in Richtung einer Verkleinerung des Öffnungsquerschnitts einer Blende entgegen des Stelldrucks, der auf eine Stirnfläche des Steuerschiebers wirkt. Diese Blende ist ausgelegt, den Stellraum über den Tankanschluss mit dem Tank zu verbinden. Das Stellmittel ist des Weiteren ausgelegt, um den Steuerschieber in Richtung einer Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts der anderen Blende derart zu verstellen, dass die Steuerölverbindung zwischen dem Stellraum und dem Druckanschluss aufgesteuert ist.
Durch die druckfühlende Ansteuerung der Hydromaschine in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors ist eine sehr dynamische Verstellung des Drucks am Druckanschluss der Hydromaschine, beispielsweise des Pumpendrucks möglich, so dass Druckspitzen im Antriebssystem hochdynamisch kompensiert werden können.
Da bei dem erfindungsgemäßen Konzept keine mechanische Rückkopplung zwischen dem Stellzylinder und dem Stellventil erforderlich ist, kann letzteres im weitesten Sinn frei am Gehäuse der Hydromaschine platziert werden. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn dieses Gehäuse aus einem nicht druckfesten Material hergestellt werden soll.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es durch den über das Stellventil in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors geregelten Stelldruck in dem Stellraum nicht zu der Ausbildung eines übermäßigen Drucks kommt, so dass die eingangs beschriebene mechanische Belastung durch das Aufschlagen des Stellkolbens auf einen Anschlag verhindert ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schwenkwiege in Gegenrichtung zur Wirkrichtung des Stellzylinders über eine geeignete Anordnung, beispielsweise einen Rückstellaktuator oder durch eine exzentrische Lagerung der Schwenkwiege in Richtung einer Verringerung des Verdrängungsvolumens beaufsch lagt.
Bei einer besonders bevorzugten Lösung ist der Stellkolben mit einer Flächendifferenz ausgeführt, wobei eine kolbenstangenseitige Stirnfläche, d.h. eine kleinere Stirnfläche des Stellkolbens einen Druckraum und die größere, kolbenbodenseitige Stirnfläche des Kolbens den Stellraum begrenzt. Dabei ist der Druckraum über einen weiteren Stellanschluss der Hydromaschine mit dem Versorgungsdruck (versorgungsseitigen Druck) und der Stellraum über den anderen Stellanschluss mit dem Stelldruck beaufschlagt. Bei einer derartigen Lösung wirkt somit das Stellventil bei geeigneter Ansteuerung auch in Richtung einer Verringerung des Verdrängungsvolumens, so dass ein Rückstellaktuator oder eine exzentrische Lagerung der Schwenkwiege oder dergleichen nicht notwendigerweise vorgesehen werden muss. Da bei einem derartigen Ausführungsbeispiel der Hochdruck/Versorgungsdruck direkt in dem Druckraum wirkt, schwenkt die Hydromaschine bei einer Druckspitze unabhängig von der Elektronik hochdynamisch ein. Des Weiteren lässt sich die Hydromaschine mit dem doppeltwirkenden Stellzylinder in einer sehr kompakten Bauform realisieren, da keine zusätzlichen Rückstellaktuatoren oder dergleichen vorgesehen werden müssen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das hydraulische Antriebssystem mit einem Lastdrucksensor ausgeführt ist, über den der Lastdruck an einem Aktuator erfasst werden kann. Dabei ist die Steuereinheit so ausgelegt, dass das Stellmittel in Abhängigkeit von den vom Drucksensor und dem Lastdrucksensor erfassten Signalen/Drücken, insbesondere der Druckdifferenz angesteuert werden kann, um den Schwenkwinkel in Abhängigkeit vom Versorgungsdruck und vom Lastdruck einzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Antriebssystem mit mehreren Aktuatoren ausgeführt ist, wobei jeder Aktuator über eine Zulaufmessblende/Hauptblende mit Druckmittels versorgt wird, kann eine Lastdruckmeldeschaltung zum Abgreifen des höchsten Lastdrucks stromabwärts der Zulaufmessblenden mittels einer Lastdruckleitung vorgesehen werden, in der dann der Lastdrucksensor angeordnet ist, so dass die Verstellung des Schwenkwinkels in Abhängigkeit vom Versorgungsdruck/Hochdruck und vom höchsten Lastdruck der angesteuerten Aktuatoren erfolgt.
Die Ansteuerung lässt sich weiter verbessern, wenn die Steuereinheit einen elektronischen Regler hat, dessen Stellgröße zumindest mittelbar auf das elektrisch ansteuerbare Stellmittel wirkt. Dabei wird als Ist-Größe vorzugsweise die Differenz zwischen den vom Drucksensor und vom Lastdrucksensor gemessenen Drücken verwendet.
Dieser elektronische Regler kann ein stetiger, linearer Regler, vorzugsweise ein PI- oder ein PID-Regler sein.
Der Regler kann digital und/oder zeitdiskret ausgeführt sein.
Die Kosten zur Realisierung des Antriebssystems lassen sich weiter begrenzen, indem für das Stellmittel an sich bekannte Ventilelemente, wie beispielsweise ein elektrisch verstellbares 3-Wege-Druckregelventil oder ein elektrisch verstellbares 3-Wege-Proportionalventil (stetig verstellbares Ventil) mit einem an dem Tank angeschlossenen Tankanschluss, einem Druckanschluss, an dem der Versorgungsdruck/Hochdruck anliegt, und einem mit dem Stellraum in Druckmittelverbindung stehenden Arbeitsanschluss verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn der Versorgungsdruck der Förderdruck einer Pumpe oder der Eingangsdruck eines Motors ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematische Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems;
2 ein Schaltschema einer Steuereinheit des Antriebssystems gemäß 1 ;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Antriebssystems mit einem Druckregelventil als Stellventil;
4 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei das Druckregelventil koaxial zum Stellzylinder angeordnet ist und
5 ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Antriebssystems mit einem einfach wirkenden Stellzylinder und exzentrisch gelagerter Schwenkwiege.

1 zeigt ein vereinfachtes Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines Antriebssystems 1, über das beispielsweise zwei Verbraucher, im vorliegenden Fall zwei Aktuatoren 2, 4 betrieben werden können. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Aktuatoren 2, 4 als Differentialzylinder ausgeführt, wobei jeweils ein bodenseitiger Druckraum 6, 8 und ein kolbenstangenseitiger Ringraum 10, 12 über Arbeitsleitungen 14, 16 bzw. 18, 20 mit Arbeitsanschlüssen eines Wegeventils 22, 24 verbunden sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wegeventile 22, 24 als 4/3-Wegeventile ausgeführt, die in der federvorgespannten Grundposition 0 (siehe Wegeventil 22) die beiden Arbeitsanschlüsse 14, 16 absperren. In einer Schaltstellung a fährt der Aktuator aus und in der Schaltstellung b ein. Die beiden Wegeventile 22, 24 haben jeweils einen Tankanschluss, der an einem Tank T angeschlossen ist. Ein Druckanschluss jedes Wegeventils 22, 24 ist an eine Zulaufleitung 26, 28 angeschlossen, in der jeweils eine verstellbare Zulaufmessblende, im Folgenden Hauptblende 30, 32 genannt, angeordnet ist. Stromaufwärts der Hauptblenden 30, 32 ist jeweils ein in Richtung zum Aktuator 2, 4 öffnendes Rückschlagventil 34, 36 vorgesehen.
Die beiden Zulaufleitungen 26, 28 münden stromaufwärts der Rückschlagventile 34, 36 in einer Druckleitung 38, die an den Druckanschluss einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine, konkret einer Axialkolbenpumpe 40 angeschlossen ist. Diese ist verstellbar ausgeführt, so dass sich zur Einstellung des Verdrängungsvolumens/Fördervolumens der Schwenkwinkel einer im Folgenden noch näher erläuterten Schwenkwiege 42 (in 1 angedeutet mit dem Pfeil) mittels eines Stellzylinders 44 verstellen lässt. Die Ansteuerung des Stellzylinders 44 erfolgt über ein elektrisch ansteuerbares Stellventil 46, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel als elektroproportionales Ventil (EP) ausgeführt ist. Das Stellventil 46 hat einen Arbeitsanschluss A, der über eine Steuerleitung 48 mit einem Stellraum 50 des Stellzylinders 44 verbunden ist.
Wie erläutert, ist der Stellzylinder 44 beim dargestellten Ausführungsbeispiel doppeltwirkend mit einem Kolben 52 ausgeführt, dessen Kolbenboden den Stellraum 50 begrenzt und dessen Kolbenstange 54 einen ringförmigen Druckraum 46 begrenzt. Die Fläche des Kolbenbodens ist dabei größer als die Ringstirnfläche des Druckraums 56 ausgebildet - das Flächenverhältnis kann beispielsweise 2:1 betragen.
Von der Druckleitung 38 zweigt eine Drucksteuerleitung 58 ab, die an einen zweiten Stellanschluss 60 des Stellzylinders 44 angeschlossen ist und in den Ringraum 56 einmündet.
Der Kolben, im vorliegenden Fall die Kolbenstange 54 greift an der angedeuteten Schwenkwiege 42 an, um deren Schwenkwinkel
Steuerölverbindung zwischen dem Druckanschluss P und dem Ausgangsanschluss A aufgesteuert wird - die jeweils andere Blende wird dann entsprechend gegenläufig zugesteuert. Die Verstellung des Steuerschiebers 72 des Stellventils 46 erfolgt gegen den Druck im Stellraum 50, der über die Meldeleitung 70 am Anschluss A des Stellventils 46 abgegriffen wird.
Der Druck am Ausgang der Axialkolbenpumpe 40, d.h. der Druck in der Druckleitung 38, wird über einen Drucksensor 74 erfasst und an die ECU gemeldet.
Aktuatorseitig wird der höchste Lastdruck in an sich bekannter Weise über eine Kaskade von Lastmeldeleitungen 76, 78, die an LS-Anschlüsse der Wegeventile 22, 24 angeschlossen sind und von Wechselventilen 80, 82 zu einem in einer Lastmeldeleitung 83 angeordneten Lastdrucksensor 84 geführt, dessen Signal ebenfalls zur ECU gemeldet wird. Die ECU ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Ansteuerung des Stellmittels 64 in Abhängigkeit von den über die Sensoren 74, 84 erfassten Drücken, vorzugsweise der Druckdifferenz zwischen dem Ausgangsdruck der Axialkolbenpumpe 40 (Hochdruck) und dem höchsten Lastdruck an den beiden Aktuatoren 2, 4 erfolgt. Diese Ansteuerung erfolgt somit im Wesentlichen druckorientiert, wobei eine mechanische und/oder hydraulische Rückkopplung für die Einstellung des Schwenkwinkels nicht erforderlich ist oder allenfalls eine untergeordnete Bedeutung hat.
2 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der ECU aus 1. Demgemäß ist diese mit Signaleingängen 86, 88, 90 (und ggf. weiteren Signaleingängen) ausgeführt, wobei zu den Signaleingängen 86, 88 die Signale der beiden Sensoren 74, 84 geführt werden. Wie vorstehend erläutert, wird über ein Summationsglied 92 ein der Druckdifferenz zwischen dem Pumpenhochdruck und dem höchsten Lastdruck entsprechendes Signal erzeugt und dieses dann entweder direkt zu einem PID-Regler 96 oder an den Eingang eines weiteren Summationsglieds 94 gemeldet, und dort mit dem Signal am weiteren Signaleingang 90, bspw. einer Soll-Druckdifferenz von 20 bar verglichen. Das daraus resultierende Ist-Signal wird in den PID-Regler 96 eingekoppelt, über den dann ein entsprechend dieser Druckdifferenz erzeugtes Stellsignal an das Stellmittel 64 der Axialkolbenpumpe 40 abgegeben wird und dementsprechend der Schwenkwinkel in Abhängigkeit von diesem Stellsignal eingestellt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Konzept wird - wie vorstehend ausgeführt - die Schwenkwiege 42 aus der Grundposition (Schwenkwinkel minimal) in Richtung einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens und damit des Schwenkwinkels angesteuert, um den zugeordneten Aktuator 2, 4 mit Druckmittel zu versorgen. Der Regelzustand ist erreicht, wenn beispielsweise, wie vorstehend ausgeführt, die Druckdifferenz zwischen dem Pumpenhochdruck und dem höchsten Lastdruck 20 bar beträgt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein PID-Regler 96 verwendet. Prinzipiell kann jeder geeignete elektronische Regler, beispielsweise ein stetiger, linearer Regler, ein PI-Regler oder - wie ausgeführt - auch ein PID-Regler verwendet werden. Dabei wird es bevorzugt, wenn der jeweilige Regler vorzugsweise digital und/oder zeitdiskret implementiert ist. Da der Grundaufbau derartiger Regelsysteme im Prinzip bekannt ist, kann auf eine ausführlichere Erläuterung verzichtet werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Antriebssystems 1 beim Anheben einer Last mittels des Aktuators 2 beschrieben, wobei angenommen wird, dass die Axialkolbenpumpe 40 im Stand-By-Modus auf einen Stand-By-Druck von beispielsweise 20 bar eingestellt ist. Im Stellraum 50 ist über das Stellventil 46 ein vergleichsweise geringer Stelldruck, beispielsweise von etwa 10 bar eingestellt.
Zum Anheben des Aktuators 2 wird die zugeordnete Hauptblende 30 aufgesteuert und aufgrund der über die Sensoren 74, 84 erfassten Druckdifferenz, die der IST-Größe des Regelkreises entspricht, von dem PID-Regler 96 ein Stellsignal an das Stellmittel 64 abgegeben, so dass dieses das Stellventil 46 in Richtung einer Öffnung der Blende 66 und einer Verringerung des Querschnittes der Blende 68 verstellt. Dementsprechend wird der Druck im Stellraum 50 erhöht, so dass der Stellzylinder 44 ausfährt und die Schwenkwiege 42 in Richtung einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens verstellt wird. Dadurch steigt der Druck am Ausgang der Axialkolbenpumpe 40 an, bis die vorgenannte Druckdifferenz zwischen dem Druck am Ausgang der Axialkolbenpumpe 40 und dem Lastdruck der vorgegebenen Soll-Druckdifferenz (Soll-Größe) entspricht - bei Erreichen dieser Soll-Druckdifferenz (bspw. 20 bar) befindet sich die Axialkolbenpumpe 40 dann im Regelzustand. Die Hauptblende 30 wir dann nach dem Anheben der Last zugesteuert und es wird über den PID-Regler 96 ein Stellsignal in das Stellmittel 64 eingekoppelt, das zu einer Verstellung des Stellventils 46 im Sinne einer Verringerung des Stelldrucks im Stellraum 50 führt. Dementsprechend wird dann die Blende 68 auf und die Blende 66 gegenläufig zugesteuert, so dass eine Steuerölverbindung zum Tank T aufgesteuert wird. Der Druck im Stellraum 50 wird dann beispielsweise wieder auf den eingangs gewählten Druck von beispielsweise 10 bar eingestellt, wobei zuvor die Hauptblende 30 geschlossen wurde - die Axialkolbenpumpe 40 befindet sich wieder im Stand-By-Modus (bspw. 20 bar)
Wie eingangs erläutert, können durch diese druckfühlende Verstellung Druckspitzen mit hoher Dynamik ohne direkte mechanische/hydraulische Kopplung des Stellzylinders 44 mit dem Stellventil 46 ausgeglichen werden. Dies wird insbesondere dadurch erleichtert, dass der Druck am Ausgang der Axialkolbenpumpe 40 in der Grundposition des Stellventils 46 im Stellraum 50 wirkt.
3 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1, bei dem anstelle des beim System gemäß 1 verwendeten proportionalverstellbaren Wegeventils als Stellventil 46 ein elektrisch angesteuertes Druckreduzierventil DRE verwendet wird, dem in 3 der Einfachheit halber das gleiche Bezugszeichen wie dem proportionalverstellbaren Ventil in 1 gegeben wird. Der Aufbau derartiger DRE-Ventile ist bekannt, so dass auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann. Demgemäß hat das als Druckreduzierventil ausgebildete Stellventil 46 einen Druckanschluss P, einen Tankanschluss T und einen Arbeits- oder Ausgangsanschluss A. Der Druckanschluss P ist - wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - über die Drucksteuerleitung 58 mit dem Druckraum 56 des Stellzylinders 44 verbunden. Der Arbeitsanschluss A des Stellventils 46 steht über die Steuerleitung 48 in Druckmittelverbindung mit dem Stellraum 50 des Stellzylinders 44, der wiederum als doppeltwirkender Zylinder ausgeführt ist.
In 3 ist der Kolben 52 in einer ausgefahrenen Position dargestellt, in der die Schwenkwiege 42 aus ihrer nicht dargestellten Grundposition heraus in Richtung des maximalen Verdrängungsvolumens verschwenkt ist. Wie vorstehend erläutert, liegen an dieser Schwenkwiege 42 Kolben 97 der Axialkolbenpumpe 40 an, die in einer auf einer Pumpenwelle 98 gelagerten Zylindertrommel 100 verschiebbar gelagert ist. Die Anlage an der Schwenkwiege 42 erfolgt dabei über Kolbenschuhe 102.
Die Drucksteuerleitung 58 zweigt - wie vorstehend erläutert - von der Druckleitung 38 ab, die über die Hauptblende 30 mit dem Aktuator 2 verbunden ist. Das Auf- und Zusteuern der Hauptblende 30 erfolgt bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Joy-Stick 104.
Der Tankanschluss T ist wie beim Ausführungsbeispiel in 1 über eine Tankleitung 62 mit dem Tank T verbunden. Mit diesem ist auch eine Saugleitung 106 der Axialkolbenpumpe 40 verbunden. Die Verstellung des Stellventils 46 erfolgt über das Stellmittel 64, das beispielsweise als Proportionalmagnet ausgeführt werden kann und das in Abhängigkeit von den Signalen des Drucksensors 74 und des Lastdrucksensors 84, vorzugsweise in Abhängigkeit von deren Druckdifferenz, über die ECU angesteuert wird. Die Verstellung des DRE 46 erfolgt dabei gegen den Druck im Stellraum 50, der über die Meldeleitung 70 abgegriffen wird.
4 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel des in 3 gezeigten Konzeptes. Demgegemäß ist das DRE (Stellventil 46) als Cartridge-Ventil ausgeführt, das in eine Aufnahme 108 des Pumpengehäuses eingeschraubt ist. Der Aufbau dieses Cartridge-DRE-Ventils ist an sich bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Zum besseren Verständnis sind die in der 3 verwendeten Bezugszeichen für die entsprechenden Bauteile auch in 4 eingezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Stellventil 46 koaxial zum Stellzylinder 44 angeordnet, dessen Gehäuse somit gleichzeitig auch die Aufnahme 108 für das Cartridge-Ventil (Stellventil 46) ausbildet. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel begrenzt der Kolben 52 mit dem Gehäuse des Stellventils 46 den Stellraum 50. Der am Stellventil 46 stirnseitig ausgebildete Arbeitsanschluss A mündet direkt in diesen Stellraum 50 ein. Bei der in 4 dargestellten Variante ist der Steuerschieber 72 über eine Regelfeder 110 entgegen der Wirkrichtung des Stellmittels 64 (Proportionalmagnet) vorgespannt. Die Kolbenstange 54 des Kolbens 52 begrenzt den ringförmigen Druckraum 56, in dem - wie in 4 angedeutet - der Pumpendruck anliegt. Die Kolbenstange 54 ist direkt oder über ein Verbindungsglied mit der Schwenkwiege 42 verbunden. Wie vorstehend erläutert, liegen an dieser über die Kolbenschuhe 102 die in der Zylindertrommel 100 geführten Kolben 96 an. Die Zylindertrommel 100 ist drehfest mit der Pumpenwelle 98 verbunden. Die gesamte Anordnung ist in einem Pumpengehäuse 112 aufgenommen, das über einen an dieses angesetzten Flansch 114 an einem Motorgehäuse oder dergleichen montiert werden kann.
Wie in 4 anschaulich dargestellt, wirkt durch den Stelldruck auf den Kolben 52 eine Stellkraft FS in Richtung eines Ausschwenkens der Schwenkwiege 42. Der Pumpenhochdruck p_HD wirkt in dem Druckraum 56 auf die Ringstirnfläche, so dass eine entgegen der Stellkraft FS wirkende Rückstellkraft ausgebildet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schwenkwiege 42 beispielsweise über eine nicht sichtbare Rückstellfeder in Richtung des minimalen Fördervolumens beaufsch lagt.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem - ähnlich wie bei der oben beschriebenen Lösung - das Stellventil 46 wiederum als Cartridge-Ventil in eine Aufnahme 108 des Stellzylinders 44 eingesetzt ist. Dementsprechend sind auch bei dieser Variante das Stellventil 46 und der Stellzylinder 44 koaxial zu einander angeordnet und weitestgehend in das Pumpengehäuse 112 integriert.
Da erfindungsgemäß keine mechanische Kopplung zwischen dem Stellzylinder 44 und dem Stellventil 46 der beschriebenen Ausführungsbeispiele erforderlich ist, kann das Druckreduzierventil DRE auch an einer anderen geeigneten Position montiert werden - dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn dessen Gehäuse aus einem nicht druckfesten Material, beispielsweise als Aluminium gefertigt werden soll. Bei einem druckfesten Gehäuse ist die anhand der 3 und 4 erläuterte koaxiale Anordnung eine sehr kostengünstige Ausführung, da die Anbindung des Stellventils 46 äußerst einfach ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der Stellzylinder 44 einfachwirkend ausgeführt. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel begrenzen der Kolben 52 und die Stirnfläche des Cartridge-Ventils (Stellventil 46) den Druckraum 56. Der Kolben 52 ist jedoch nicht in Rückstellrichtung mit einem Stelldruck, beispielsweise dem Pumpendruck, beaufschlagt. Eine derart ausgeführte Lösung mit einfachwirkendem Stellzylinder 44 und als Cartridge-Ventil ausgebildetem Stellventil 46, das koaxial zum Stellzylinder 44 angeordnet ist, lässt sich äußerst preisgünstig herstellen. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen greift die Kolbenstange 54 direkt oder mittelbar an der Schwenkwiege 42 an. Der maximale Schwenkwinkel ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Anschlag 116 begrenzt, auf den die Schwenkwiege 42 bei vollständig ausgefahrenem Kolben 52 aufläuft (siehe 5). Eine weitere Besonderheit des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Lagerung der Schwenkwiege 42 versetzt/exzentrisch zur Achse der Pumpenwelle 98 angeordnet ist. Wie in der eingangs erläuterten Druckschrift DE 10 2014 215 024 A1 erläutert, wird durch diese exzentrische Anordnung auf die Schwenkwiege 42 ein Gegenschwenkmoment aufgebracht, das beim Betrieb der Axialkolbenpumpe 40 in Richtung einer Verringerung des Schwenkwinkels und damit einer Verringerung des Verdrängungsvolumens wirkt.
Diese Rückstellung kann selbstverständlich auch durch eine Feder oder einen Gegenzylinder erfolgen, wie er beispielsweise in der eingangs diskutierten Druckschrift DE 10 2014 215 024 A1 beschrieben ist. Wie in 4 strichpunktiert angedeutet, kann dieser Gegenzylinder in Rückstellrichtung, beispielsweise diametral versetzt zum Stellzylinder 46 an der Schwenkwiege 42 angreifen.
Offenbart ist ein hydraulisches Antriebssystem mit einer hydrostatischen verstellbaren Hydromaschine, vorzugsweise einer Axialkolbenmaschine, deren Schwenkwinkel druckfühlend in Richtung einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens verstellbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Aktuator
4: Aktuator
6: Druckraum
8: Druckraum
10: Ringraum
12: Ringraum
14: Arbeitsleitung
16: Arbeitsleitung
18: Arbeitsleitung
20: Arbeitsleitung
22: Wegeventil
24: Wegeventil
26: Zulaufleitung
28: Zulaufleitung
30: Hauptblende
32: Hauptblende
34: Rückschlagventil
36: Rückschlagventil
38: Druckleitung
40: Axialkolbenpumpe
42: Schwenkwiege
44: Stellzylinder
46: Stellventil
48: Steuerleitung
49: erster Stellanschluss
50: Stellraum
52: Kolben
54: Kolbenstange
56: Druckraum
58: Drucksteuerleitung
60: Stellanschluss
62: Tankleitung
64: Stellmittel
66: Blende
68: Blende
70: Meldeleitung
72: Steuerschieber
74: Drucksensor
76: Lastmeldeleitung
78: Lastmeldeleitung
80: Wechselventil
82: Wechselventil
83: Lastmeldeleitung
84: Ladedrucksensor
86: Signaleingang
88: Signaleingang
90: Signaleingang
92: Summationsglied
94: Summationsglied
96: PID
97: Kolben
98: Pumpenwelle
100: Zylindertrommel
102: Kolbenschuh
104: Joy-Stick
106: Saugleitung
108: Aufnahme
110: Regelfeder
112: Pumpengehäuse
114: Flansch
116: Anschlag
118: Gegenzylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016224554 A1 [0003]
DE 102016216004 A1 [0003]
DE 102014215024 A1 [0005, 0050, 0051]

Claims

Hydraulisches Antriebssystem mit zumindest einem Aktuator (2, 4), einer in Druckmittelverbindung mit dem Aktuator (2, 4) stehenden Hydromaschine, vorzugsweise einer Hydropumpe in Axialkolbenbauweise, deren Verdrängungsvolumen mittels eines Stellzylinders (44) verstellbar ist, wobei der Stellzylinder (44) zumindest einen Stellanschluss (49) aufweist, über den ein von einem Kolben (52) begrenzter Stellraum (50) des Stellzylinders (44) mit einem Stelldruck beaufschlagbar ist, der im Sinne einer Vergrößerung des Verdrängungsvolumens auf den Kolben (52) wirkt und mit einem elektrisch mittels einer Steuereinheit (ECU) angesteuerten Stellventil (46) zum Einstellen des Stelldrucks durch gegenläufige Veränderung des Querschnittes einer ersten und einer zweiten, durch einen Steuerschieber (72) des Stellventils (46) begrenzten Blende (66, 68), wobei an einen Druckanschluss (P) des Stellventils (46) ein versorgungsseitiger Druck anliegt und ein Tankanschluss (T) des Stellventils (46) mit einem Tank (T) verbunden ist, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (74) zum Erfassen des versorgungsseitigen Drucks des Antriebssystems (1) und durch ein elektrisch angesteuertes Stellmittel (64) zum Verstellen des Steuerschiebers (72) in Abhängigkeit von einem Signal des Drucksensors (74) in Richtung einer Verkleinerung der zweiten Blende (68) entgegen des Stelldrucks, der auf eine Stirnfläche des Steuerschiebers (72) wirkt, wobei mit der Verstellung des Steuerschiebers (72) eine Vergrößerung des Querschnittes der ersten Blende (66) einhergeht, die ausgelegt ist, um den Stellraum (50) mit dem Druckanschluss (P) zu verbinden.
Antriebssystem nach Patentanspruch 1, mit einer Anordnung zum Verstellen einer Schwenkwiege (42) der Hydromaschine in Richtung einer Verringerung des Verdrängungsvolumens.
Antriebssystem nach Patentanspruch 1, wobei die Anordnung durch einen Rückstellaktuator und/oder eine exzentrische Lagerung der Schwenkwiege (42) ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 1, wobei der Kolben (52) mit einer Flächendifferenz derart ausgeführt ist, dass eine kolbenstangenseitige Stirnfläche einen Druckraum (56) und eine kolbenbodenseitige Stirnfläche den Stellraum (50) begrenzt und der Druckraum (56) über einen weiteren Stellanschluss (60) mit dem versorgungsseitigen Druck und der Stellraum (50) über den erst genannten Stellanschluss (49) mit dem Stelldruck beaufschlagt ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Lastdrucksensor (84) zum Erfassen des Lastdrucks am Aktuator (2, 4), wobei die Steuereinheit (ECU) ausgelegt ist, das Stellmittel (64) in Abhängigkeit von den vom Drucksensor (74) und vom Lastdrucksensor (84) erfassten Drücken, insbesondere der Druckdifferenz, anzusteuern.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit mehreren Aktuatoren (2, 4), wobei jedem Aktuator (2, 4) eine Hauptblende (30, 32) zugeordnet ist, und mit einer Lastdruckschaltung zum Abgreifen des höchsten Lastdrucks stromabwärts der Hauptblenden (30, 32) mittels einer Lastmeldeleitung (83), in der der Lastdrucksensor (84) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (ECU) einen elektronischen Regler hat, dessen Stellgröße zumindest mittelbar auf das elektrisch angesteuerte Stellmittel (64) wirkt, wobei eine in den Regler eingekoppelte Ist-Größe die Differenz zwischen den vom Drucksensor (74) und vom Lastdrucksensor (84) gemessenen Drücken ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 7, wobei der elektronische Regler ein stetiger, linearer Regler, vorzugsweise ein PI- oder ein PID-Regler (96) ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei der Regler digital und/oder zeitdiskret ausgeführt ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Stellmittel (64) ein elektrisch verstellbares 3-Wege-Druckregelventil (DRE) oder ein elektrisch verstellbares 3-Wege-Proportionalventil ist, mit einem an den Tank (T) angeschlossenen Tankanschluss (T) und mit einem mit dem Stellraum (50) in Druckmittelverbindung stehenden Arbeitsanschluss (A) sowie einem mit dem versorgungsseitigen Druck beaufschlagten Druckanschluss (P).
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der versorgungsseitige Druck etwa der Förderdruck der Hydropumpe ist.