DE102006003414B3 - Hydraulische Schaltungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Schaltungsanordnung mit einer von einem Elektromotor angetriebenen Konstantpumpe und einem Hubzylinder wobei zur Energierückgewinnung der Elektromotor als Generator und die Pumpe als hydraulischer Motor betreibbar sind, um potentielle Energie des Hubzylinders rückzugewinnen, sowie mit einem in der Leitung zwischen Pumpe und Hubzylinder angeordneten Lasthalteventil, wobei zwischen Pumpe und Lasthalteventil ein von der Pumpe beaufschlagtes Prioritätsventil angeordnet ist, das den von der Pumpe zufließenden Volumenstrom auf den Hubzylinder einerseits und auf mindestens einen weiteren Verbraucher eines Load-Sensing-Systems andererseits verteilt. Das Prioritätsventil verbindet in der ersten seiner beiden Extremlagen sowohl den Hubzylinder als auch den mindestens einen weiteren Verbraucher jeweils mit der Pumpe und verbindet in der zweiten seiner beiden Extremlagen alleine den mindestens einen weiteren Verbraucher mit der Pumpe, während der Hubzylinder vollständig abgetrennt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hydraulische Schaltungsanordnung mit einer von einem Elektromotor angetriebenen Konstantpumpe und einem Hubzylinder, wobei zur Energierückgewinnung der Elektromotor als Generator und die Pumps als hydraulischer Motor betreibbar sind, um potentielle Energie des Hubzylinders rückzugewinnen, sowie mit einem in der Leitung zwischen Pumpe und Hubzylinder angeordneten Lasthalteventil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung für batteriegetriebene Flurförderzeuge ist aus der DE 43 17 782 C2 bekannt. Das Prinzip ist in 1 dargestellt: Ein Gleichstrom- oder Asynchron-Elektromotor M treibt eine Pumpe P an, die den Hydraulikdruck für den Hubzylinder HZ bereitstellt. Zwischen Pumpe P und Hubzylinder HZ ist ein Lasthalteventil LHV vorgesehen, das in der in 1 dargestellten Stellung „Heben" ein Rückschlagventil RV enthält, das ein Durchsacken der Last nach Beendigung des Hubvorgangs verhindert. Beim Senken der Last wird das Lasthalteventil LHV elektrisch in seine geöffnete Stellung geschaltet, in der es das Zurückströmen des Fluids vom Hubzylinder HZ zur Pumpe P praktisch ohne Druckverlust ermöglicht. Dabei wird im Hubzylinder HZ gespeicherte potentielle Energie zurückgewonnen, indem die Pumpe nun als hydraulischer Motor und der Elektromotor als Generator G zum Wiederaufladen der Batterie arbeiten. Die besonderen Vorteile liegen darin, dass der Aufwand relativ gering ist und keine prinzipbedingten Druckverluste auftreten.
  • Sind bei der bekannten Anordnung noch weitere Verbraucher und Zusatzfunktionen vorgesehen, so muss hierfür bspw. eine weitere Pumpe bereitgestellt werden oder es muss die Senkfunktion unterbrochen werden, wenn die Zusatzfunktion angefordert wird.
  • Zur Versorgung mehrerer Verbraucher eignet sich das sog. Load-Sensing-System (H. Ebertshäuser, S. Helduser: Fluidtechnik von A bis Z, Vereinigte Fachverlage Mainz, 2. Auflage 1995, S. 221, 222). Ein solches hydraulisches Steuerungssystem mit Druck- und Volumenanpassung an die momentanen Anforderungen der Verbraucher kann sowohl mit Verstellpumpe als auch mit Konstantpumpe realisiert werden. 2 zeigt eine Ausführungsform eines modifizierten Load-Sensing-Systems LSS mit einer Konstantpumpe P, die von einem drehzahlveränderlichen Elektromotor M angetrieben wird. Voraussetzung ist, dass der Steuerung die Volumenstrombedarfe aller Verbraucher bekannt sind. Das gewünschte Druckniveau bzw. der gewünschte Volumenstrombedarf wird dabei nicht über den Schwenkwinkel einer Verstellpumpe sondern über die Drehzahl der Konstantpumpe P gesteuert. Bei mäßigen Genauigkeitsanforderungen kann diese Steuerung ohne zusätzliche Sensoren erfolgen, wobei der Druck über den zum Motor fließenden Strom geschätzt werden kann. Der Volumenstrom ist proportional zur Drehzahl. Die druckabhängige Leckage kann über den geschätzten Druck mit einbezogen werden.
  • Die Aufteilung des Volumenstroms auf die einzelnen Verbraucher (Zylinder Z1, Z2) mit ihren unterschiedlichen Druckniveaus erfolgt in bekannter Weise mit Individualdruckwaagen DW1, DW2, denen die Wegeventile V1, V2 nachgeschaltet sind. WV bezeichnet das Wechselventil, das üblicherweise zur Weiterleitung des höchsten Drucks an den Pumpenregler dient, aber für diesen Zweck nicht mehr erforderlich ist, wenn der Volumenstrom bereits durch die Motorsteuerung geregelt wird.
  • Die in 2 dargestellte Schaltung könnte theoretisch so erweitert werden, dass einer der Zylinder Z1, Z2 derjenige ist, für den Energierückgewinnung gefordert wird. Diese Lösung wäre energetisch nicht ideal, denn das Load-Sensing-Prinzip ist ja auf eine nennenswerte Druckdifferenz im Zulauf zu jedem Verbraucher angewiesen. Weiterhin ist es erforderlich, die Druckwaagen jeweils auf der gleichen Seite der Drosselstelle anzuordnen. Da sich beim Senken der Last die Richtung des Volumenstroms umkehrt, müsste entweder die Reihenfolge aus Druckwaage und Wegeventil umgekehrt werden oder es müsste eine zweite Drosselstelle vorgesehen werden, die mit weiteren Verlusten verbunden ist. Außerdem wären weitere Ventile erforderlich, damit die Druckwaage jeweils der richtigen Drosselstelle zugeordnet wird.
  • Aus der Druckschrift DE 299 11 686 U1 ist ein elektrohydraulischer Hubmodul mit einem Energiesparmodus bekannt. Bei diesem Hubmodul ist in der von der Pumpe zum Hubzylinder führenden Hauptarbeitsleitung ein elektromagnetisch betätigbares Stromregelungsventil vorgesehen, über das Nebenverbraucher zuschaltbar sind. Eine Entlastungsleitung zwischen der Hauptarbeitsleitung und dem Tank kann durch ein weiteres elektromagnetisches Ventil freigegeben werden. Für den Senkbetrieb des Hubzylinders ist eine von einem weiteren elektromagnetischen Ventil freigebbare Umgehungsleitung vorgesehen, die auf die Saugseite der Pumpe führt und zum Tank hin durch ein Rückschlagventil gesperrt ist. Das im Senkbetrieb durch die Umgehungsleitung verdrängte Druckmittel wird damit durch die Pumpe gedrückt, die nunmehr als Hydromotor den als Generator fungierenden Elektromotor zur Energierückgewinnung antreibt, wobei das Druckmittel über die Entlastungsleitung zum Tank abfließt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltung zur Energierückspeisung aus einem Hubzylinder bei gleichzeitigem Betrieb mit anderen Verbrauchern anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer hydraulischen Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zwischen Pumpe und Lasthalteventil ein von der Pumpe beaufschlagtes Prioritätsventil angeordnet ist, das den von der Pumpe zufließenden Volumenstrom auf den Hubzylinder einerseits und auf mindestens einen weiteren Verbraucher eines Load-Sensing-Systems andererseits verteilt, wobei das Prioritätsventil in der ersten seiner beiden Extremlagen sowohl den Hubzylinder als auch den mindestens einen weiteren Verbraucher jeweils mit der Pumpe verbindet, und das Prioritätsventil in der zweiten seiner beiden Extremlagen nur den mindestens einen weiteren Verbraucher mit der Pumpe verbindet, während der Hubzylinder vollständig abgetrennt ist.
  • Unter Prioritätsventil wird dabei eine Stetigventil verstanden, dessen Schieber von beiden Seiten mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird. Es hat die Aufgabe, den zufließenden Volumenstrom auf den Hubzylinder einerseits und die weiteren Verbraucher andererseits mit jeweils minimalem Druckverlust zu verteilen. Der Vorteil liegt darin, dass zumindest bei Einzelbetrieb des Hubzylinders kein prinzipiell bedingter Druckabfall auftritt. Wenn keine weiteren Verbraucher anstehen, reduziert sich der Druckabfall auf das Maß, das aufgrund der konstruktiven Gestaltung des Prioritätsventils unvermeidbar ist. Werden weitere Verbraucher gleichzeitig betrieben, dann ergibt sich im Prioritätsventil zwar ein gewisser Druckabfall, der jedoch durch entsprechende Wahl der Federn der Individualdruckwaagen und des Prioritätsventils klein gehalten werden kann. Vorzugsweise ist das Prioritätsventil in einer Richtung vom Druck der Pumpe und in der anderen Richtung vom höchsten Lastdruck im Load-Sensing-System über dessen Wechselventil beaufschlagbar.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Abschaltventil vorgesehen ist, mit dem das Prioritätsventil in die zweite Extremlage schaltbar ist. Damit wird verhindert, dass der Hubzylinder, wenn er nicht betrieben werden soll, durch den höheren Lastdruck weiterer Verbraucher ausgefahren wird.
  • Beim Senken des Hubzylinders wird bevorzugt dessen Lastdruck abgegriffen und zur Steuerung des Prioritätsventils in die erste Extremlage des Prioritätsventils verwendet, um so sicherzustellen, dass es während des gesamten Senkungsvorgangs in dieser Stellung verbleibt, unabhängig davon, ob weitere Verbraucher betätigt werden oder nicht. Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn das Lasthalteventil entsprechend modifiziert und zum Abgriff des Lastdrucks des Hubzylinders ausgebildet ist
  • Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Schaltung Mittel vorgesehen, die ein Absenken geringer Lasten ermöglichen, wenn der Druck von im Load-Sensing System angeschlossenen Verbrauchern denjenigen des Hubzylinders überwiegt. Damit ist es möglich, geringfügige Lasten unter Verzicht auf Energierückgewinnung abzusenken. Um diese besondere Situation zu erkennen, können die Schaltmittel zum Absenken geringer Lasten einen Positionsschalter umfassen, der die Schaltposition des Prioritätsventils erkennt oder sie weisen Drucksensoren auf, welche die Drücke im Hubzylinder und den Lastdruck im Load-Sensing-System, insbesondere den dort herrschenden höchsten Lastdruck messen. In bevorzugter Ausführungsform wirken die Messsignale auf ein Lastsenkventil, das aufgrund des vom Positionsschalter abgegebenen Positionssignals oder der von den Drucksensoren abgegebenen Signale ein Absenken des Hubzylinders ohne Energierückgewinnung ermöglicht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der 3 und 4:
  • Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die von einem Elektromotor M angetriebene Konstantpumpe P, die über ein Lasthalteventil LHV den Hydraulikdruck für den Hubzylinder HZ liefert. Wie anhand der 1 bereits beschrieben, wird zum Senken der Last das Lasthalteventil LHV elektrisch in seine linke Stellung geschaltet, in der die Hydraulikflüssigkeit praktisch ungehindert zur Pumpe zurückströmen kann, wobei die Pumpe P dann als Hydraulikmotor und der Elektromotor M als Generator zum Wiederaufladen einer Batterie fungieren.
  • Die Pumpe P bedient außerdem ein Load-Sensing-System LSS mit den weiteren Verbrauchern Z1, Z2, die jeweils über Individualdruckwaagen DW1, DW2 und Wegeventile V1, V2 in der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Weise mit ihr verbunden sind. Zwischen Pumpe P und Lasthalteventil LHV befindet sich ein Prioritätsventil PRV, mit dem diese weiteren Verbraucher Z1, Z2 vorrangig versorgt werden. Das Prioritätsventil PRV hat die Aufgabe, den zufließenden Volumenstrom unabhängig von den aktuellen Druckverhältnissen auf den Hubzylinder HZ einerseits und auf die weiteren Verbraucher andererseits mit minimalem Druckverlust zu verteilen. Da die Individualdruckwaagen DW1, DW2 die Volumenströme zu den weiteren Verbrauchern regeln, fließt der verbleibende Rest automatisch zum Hubzylinder HZ.
  • Das Prioritätsventil PRV ist ein Stetigventil, das im gezeigten Ausführungsbeispiel als 3/2-Ventil ausgebildet ist. Die in der Zeichnung linke Seite des Prioritätsventils PRV ist mit der Arbeitsleitung der Pumpe P verbindbar und mit dem von der Pumpe P erzeugten Druck beaufschlagbar. Das Prioritätsventil PRV ist damit in Richtung einer ersten Extremlage verstellbar, in der es die Pumpe P sowohl mit dem Hubzylinder HZ als auch zumindest mit einem der weiteren Verbraucher des Load-Sensing-Systems verbindet. In der Gegenrichtung wird das Prioritätsventil PRV auf der in 3 rechts dargestellten Seite mit dem Lastdruck des Load-Sensing-Systems LSS angesteuert, der von dort über das Wechselventil WV zugeführt wird und das Prioritätsventil PRV in Richtung seiner zweiten Extremstellung beaufschlagt, in der es nur das Load-Sensing-System mit der Pumpe P verbindet, während der Hubzylinder HZ vollständig abgetrennt ist.
  • Für den Fall, dass der Hubzylinder HZ nicht betrieben werden soll, ist ein Abschaltventil ASV vorgesehen, das die linke Seite des Prioritätsventils PRV auf Tankdruckniveau legt, so dass das Prioritätsventil PRV in seiner zweiten Extremlage verharrt, in der kein Volumenstrom zum Hubzylinder HZ fließen kann.
  • Das elektrisch ansteuerbare Abschaltventil verbindet in der Ausgangsstellung, wie zuvor beschrieben, die Arbeitsleitung der Pumpe P mit der linken Seite des Prioritätsventils und in der Schaltstellung diese linke Seite über eine fast sperrende Drossel mit dem Tank. Die Drossel soll dabei lediglich sicherstellen, dass nicht auf der linken Seite des Prioritätsventils ein undefinierter Restdruck verbleibt.
  • Zur Energierückgewinnung aus dem Hubzylinder HZ ist es erforderlich, das Prioritätsventil in seine linke Stellung (erste Extremlage) zu überführen. In dieser Stellung soll es während des gesamten Senkungsvorgangs bleiben, unabhängig davon, ob die weiteren Verbraucher betätigt werden sollen oder nicht. Um dieses zu erreichen, ist ein Lastabgriff AG vorgesehen, der ebenfalls der linken Seite des Prioritätsventils zugeführt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist hierzu das Lasthalteventil LHV so modifiziert, dass in seiner Schaltstellung „Senken" zugleich der Lastdruck des Hubzylinders abgegriffen wird. Das zuvor beschriebene Abschaltventil ASV befindet sich in dieser Situation in der links gezeichneten stark drosselnden Stellung. Da es nicht völlig sperrend sein kann, fließt auf diesem Weg ein sehr kleiner Volumenstrom zum Tank und trägt nicht zur Energierückgewinnung bei. Dieser Effekt kann aber angesichts des weitestgehend druckverlustfreien Strömungswegs vom Hubzylinder HZ zur Pumpe praktisch vernachlässigt werden.
  • Eine Weiterbildung der beschriebenen Anordnung ist in 4 dargestellt. Sie entspricht im Grundprinzip der zuvor dargestellten Schaltung, enthält aber zwei weitere Schaltkomponenten in Form eines Positionsschalters PS und eines Lastsenkventils LSV. Die Bezugszeichen für die übrigen Schaltungselemente, deren Funktionsweise unverändert ist, wurden beibehalten.
  • Mit der in 4 dargestellten Schaltung wird auch noch der Fall abgedeckt, dass beim Senken einer geringen Hublast und gleichzeitigem Betrieb weiterer Verbraucher diese einen höheren Druck haben. Ein System mit einer einzigen Pumpe wäre in einem solchen Fall überfordert. Andererseits kann hier aber auf die Energierückgewinnung verzichtet werden, weil die hierfür zur Verfügung stehende Energie ohnehin nur sehr gering ist.
  • Zunächst gilt es, den geschilderten Sonderfall und den damit verbundenen Zustand des Systems zweifelsfrei zu erkennen. Dies geschieht mit dem Positionsschalter PS. Er ist dem Prioritätsventil PRV zugeordnet und erkennt, wenn beim Senken des Hubzylinders HZ der Schieber des Prioritätsventils PRV nach links in Richtung seiner zweiten Extremlage verschoben wird. Dem Positionsschalter PS ist ein Lastsenkventil LSV in Form eines Drosselventils zugeordnet, das elektronisch proportional ansteuerbar ist und von der Steuerung aktiviert wird, wenn der Positionsschalter PS das entsprechende Signal gibt.
  • Alternativ zum Positionsschalter PS können zum gleichen Zweck auch Drucksensoren verwendet werden, die zum einen den Druck im Hubzylinder HZ uns zum anderen den höchsten Lastdruck der Verbraucher im Load-Sensing-System messen, wobei die Messsignale nach entsprechender Verarbeitung durch die Steuerung wiederum zur Schaltung des Lastsenkventils LSV herangezogen werden.
  • Die beschriebene Schaltungsanordnung für ein System mit einem von einer einzigen Motorpumpe betriebenen Hubzylinder sowie weiteren Verbrauchern ermöglicht eine effiziente Energierückgewinnung, die vom energetischen Standpunkt in etwa vergleichbar ist mit derjenigen von Systemen, die zumindest eine weitere Pumpe mit Inverter benötigen.
  • M/G
    Elektromotor/Generator
    P
    Pumpe
    LHV
    Lasthalteventil
    RV
    Rückschlagventil
    HZ
    Hubzylinder
    LSS
    Load-Sensing-System
    DW1/DW2
    Individual-Druckwaagen
    V1/V2
    Wegeventile
    WV
    Wechselventil
    Z1/Z2
    Arbeitszylinder weiterer Verbraucher
    PRV
    Prioritätsventil
    ASV
    Abschaltventil
    AG
    Abgriff (Druck Hubzylinder)
    PS
    Positionsschalter
    LSV
    Lastsenkventil

Claims (9)

  1. Hydraulische Schaltungsanordnung mit einer von einem Elektromotor (M) angetriebenen Konstantpumpe (P) und einem Hubzylinder (HZ), wobei zur Energierückgewinnung der Elektromotor (M) als Generator (G) und die Pumpe (P) als hydraulischer Motor betreibbar sind, um potentielle Energie des Hubzylinders (HZ) rückzugewinnen, sowie mit einem in der Leitung zwischen Pumpe (P) und Hubzylinder (HZ) angeordneten Lasthalteventil (LHV), dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen Pumpe (P) und Lasthalteventil (LHV) ein von der Pumpe (P) beaufschlagtes Prioritätsventil (PRV) angeordnet ist, das den von der Pumpe (P) zufließenden Volumenstrom auf den Hubzylinder (HZ) einerseits und auf mindestens einen weiteren Verbraucher eines Load-Sensing-Systems (LSS) andererseits verteilt – dass das Prioritätsventil (PRV) in der ersten seiner beiden Extremlagen sowohl den Hubzylinder (HZ) als auch den mindestens einen weiteren Verbraucher jeweils mit der Pumpe (P) verbindet, und – dass das Prioritätsventil (PRV) in der zweiten seiner beiden Extremlagen nur den mindestens einen weiteren Verbraucher mit der Pumpe (P) verbindet, während der Hubzylinder (HZ) vollständig abgetrennt ist.
  2. Hydraulische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher das Prioritätsventil (PRV) in einer Richtung vom Druck der Pumpe (P) und in der anderen Richtung vom höchsten Lastdruck im Load-Sensing-System (LSS) über dessen Wechselventil (WV) beaufschlagbar ist.
  3. Hydraulische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Abschaltventil (ASV) vorgesehen ist, mit dem das Prioritätsventil (PRV) in die zweite Extremlage schaltbar ist.
  4. Hydraulische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher beim Senken des Hubzylinders (HZ) dessen Lastdruck zur Steuerung des Prioritätsventils (PRV) abgegriffen wird.
  5. Hydraulische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei welcher das Lasthalteventil (LHV) zum Abgriff des Lastdrucks des Hubzylinders (HZ) ausgebildet ist.
  6. Hydraulische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher Schaltmittel vorgesehen sind, die ein Absenken geringer Lasten ermöglichen, wenn der Druck von im Load-Sensing System (LSS) angeschlossenen Verbrauchern denjenigen des Hubzylinders (HZ) überwiegt.
  7. Hydraulische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei welcher die Schaltmittel zum Absenken geringer Lasten einen Positionsschalter (PS) aufweisen, der die Schaltposition des Prioritätsventils (PRV) erkennt.
  8. Hydraulische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei welcher die Schaltmittel zum Absenken geringer Lasten Drucksensoren aufweisen, welche die Drücke im Hubzylinder (HZ) und den Lastdruck im Load-Sensing-System (LSS) messen.
  9. Hydraulische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher die Schaltmittel zum Absenken geringer Lasten ein Lastsenkventil (LSV) aufweisen, das aufgrund des vom Positionsschalter abgegebenen Positionssignals oder der von den Drucksensoren abgegebenen Signale ein Absenken des Hubzylinders ohne Energierückgewinnung ermöglicht.
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