DE102008061350A1 - Hydrostatisches System mit einem hydropneumatischen Speicher - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches System mit einem hydropneumatischen Speicher (2), der über einen hydraulischen Widerstand (3) mit einem Ausgleichsvolumen (4) verbunden ist. In dem hydrostatischen System (1) sind Mittel (8) zum Erfassen eines auf der dem Ausgleichsvolumen zugewandten Seite des hydraulischen Widerstands (3) herrschenden Drucks vorgesehen. Bei Überschreiten eines Grenzwerts durch den dort herrschenden Druck ist eine Volumenstrombegrenzungseinrichtung (7) betätigbar.
Description
- Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches System mit einem hydropneumatischen Speicher, der über einen hydraulischen Widerstand mit einem Ausgleichsvolumen verbunden ist.
- In hydrostatischen Systemen wird oft ein Hochdruckspeicher verwendet, um aus dem System frei werdende Energie zwischenzuspeichern und sie so für spätere Verrichtung von Arbeit rückgewinnen zu können. So ist es aus der
DE 10 2005 060 990 A1 bekannt, mit einem Fahrantrieb eine hydrostatische Kolbenmaschine koppeln zu können. Diese hydrostatische Kolbenmaschine fördert beim Abbremsen des Fahrzeugs Druckmittel in einen Hochdruckspeicher. Der Hochdruckspeicher ist in der Regel als hydropneumatischer Speicher ausgeführt, bei dem eine mit einem Gas gefüllte Blase einen Gegendruck gegen das geförderte Druckmittel erzeugt. Als Ausgleichsvolumen wird entweder ein Niederdruckspeicher oder aber ein Tankvolumen verwendet. Zur Rückgewinnung von Energie wird aus dem Hochdruckspeicher Druckmittel über die hydrostatische Kolbenmaschine entspannt und dem Ausgleichsvolumen zugeführt. Das Ausgleichsvolumen ist in der Regel mit einer Entlüftungsvorrichtung versehen. - Die Gasblase, die in dem Hochdruckspeicher vorhanden ist, kann nun unter ungünstigen Umständen undicht werden, im Zweifelsfall gar platzen. Infolgedessen wird ein mit dem kompressiblen Medium der Blase durchsetztes Druckmittel über die hydrostatische Kolbenmaschine in den Niederdruckbereich des hydrostatischen Systems gebracht. Infolge der Expansion kommt es auf der Niederdruckseite zu einem Druckanstieg, da die verbaute Entlüftungsvorrichtung dem hohen auftretenden Gasvolumenstrom nicht schnell genug abgeben kann. Um hierdurch verursachte Beschädigung von Komponenten, insbesondere auch das Bersten von Komponenten zu vermeiden, müsste also die Entlüftungsvorrichtung für einen hohen Gasdurchsatz und die übrigen Komponenten erheblich druckstabil ausgelegt werden. Diese Dimensionierung führt jedoch zu einem unerwünschten Anstieg des Gesamtgewichts des hydrostatischen Systems.
- Aus der
US 6,971,411 B1 ist zudem die Erkennung eines Druckverlustes aus einem Hochdruckspeicher bekannt. - Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein hydrostatisches System zu schaffen, bei dem auf der Niederdruckseite ein in Folge des Durchmischens von Druckmittel und kompressiblem Medium aus dem hydropneumatischem Speicher entstehender Druckanstieg vermieden oder zumindest begrenzt wird.
- Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße hydrostatische System mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
- Das hydrostatische System gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen hydropneumatischen Speicher auf, der über einen hydraulischen Widerstand mit einem Ausgleichsvolumen verbunden ist. Der hydraulische Widerstand kann dabei beispielsweise eine Kolbenmaschine sein, wenn es sich bei dem beschriebenen System um ein in Bezug auf den Stand der Technik bereits genanntes handelt. Es ist jedoch ebenso gut möglich, dass der hydraulische Widerstand durch ein mit einem drosselnden Querschnitt arbeitendes Ventil oder eine ähnliche hydraulische Drosseleinrichtung realisiert ist.
- Erfindungsgemäß sind nun in dem hydrostatischen System ein Mittel zum Erfassen eines auf der Niederdruckseite, also der dem Ausgleichsvolumen zugewandten Seite des hydraulischen Widerstands, herrschenden Drucks vorgesehen. Weiterhin ist eine Volumenstrombegrenzungseinrichtung vorgesehen, welche bei Überschreiten eines Grenzwerts durch den auf der dem Ausgleichsvolumen zugewandten Seite des hydraulischen Widerstands herrschenden Druck betätigbar ist. Auf diese Weise wird erkannt, ob auf der Niederdruckseite des hydraulischen Widerstands ein unerwünschter Druckanstieg vorliegt. Ist dies der Fall, so wird aufgrund der Tatsache, dass der Druckanstieg durch das in dem Druckmittel befindliche kompressible Medium erzeugt wird, die pro Zeiteinheit von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite gebrachte Druckmittelmenge reduziert. Hierzu ist die Volumenstrombegrenzungseinrichtung in Abhängigkeit von dem ermittelten Druck betätigbar. Damit wird diejenige Menge kompressiblen Mediums, die auf die Niederdruckseite gelangt, insgesamt durch eine Reduzierung des Gesamtvolumenstroms verringert. Infolgedessen kann der Druckanstieg auf ein niedriges Maß eingestellt werden und das expandierte kompressible Medium ist auch über eine relativ klein dimensionierte Entlüftungsvorrichtung problemlos abzugeben.
- In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen hydrostatischen Systems ausgeführt.
- Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Volumenstrombegrenzungsvorrichtung eine Verstellvorrichtung ist, die auf eine den hydraulischen Widerstand bildende hydrostatische Maschine wirkt. Die hydrostatische Maschine ist verstellbar ausgeführt, sodass die Volumenstrombegrenzungsvorrichtung bei Betätigung eine Verringerung des die hydrostatische durchströmenden Volumenstroms durch Reduzierung des Schluckvolumens bewirkt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, eine vollständige Abschaltung des Systems zu vermeiden. Ein Betreiben mit verringerter Wirkung, d. h. verringertem Volumenstrom, ist jedoch nach wie vor möglich.
- Alternativ kann der hydraulische Widerstand auch einen einstellbaren Drosselquerschnitt aufweisen, wie es beispielsweise bei Ventileinrichtungen mit drosselndem Querschnitt der Fall ist. Bei Betätigung der Volumenstrombegrenzungseinrichtung, die den einstellbaren Drosselquerschnitt aufweist, wird dieser Drosselquerschnitt reduziert, sodass ebenfalls der von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite strömende Druckmittelstrom verringert wird. Insbesondere kann eine solche Einrichtung auch mit einer hydraulischen Kolbenmaschine kombiniert werden. Die Verwendung eines solchen einstellbaren Drosselquerschnitts bietet sich beispielsweise dann an, wenn als hydrostatische Kolbenmaschine eine solche mit konstantem Förder- bzw. Schluckvolumen verwendet wird.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Mittel zum Erfassen des Drucks auf der Niederdruckseite, also der im Bezug auf den hydraulischen Widerstand dem Ausgleichsvolumen zugewandten Seite, ein Drucksensor angeordnet. Allgemein ist ein Drucksensor zunächst eine Erfassungseinrichtung, welche in Abhängigkeit von dem erfassten Druck ein elektrisches Signal ausgibt. Dieses Signal kann entweder proportional dem erfassten Druck sein oder aber in einer besonders bevorzugten Weiterbildung lediglich z. B. eine konstante Spannung ausgeben, die bei Überschreiten eines fest eingestellten Grenzwerts erzeugt wird. In diesem Fall ist der Drucksensor vereinfacht als Druckschalter ausgeführt. Im Falle der Verwendung eines Drucksensors und auch des als Druckschalters ausgebildeten Drucksensors wird vorzugsweise das erzeugte elektrische Signal einer Steuereinrichtung zugeführt, die mit der Volumenstrombegrenzungseinrichtung verbunden ist und diese ansteuert. Mittels einer solchen Steuereinrichtung kann in einfacher Weise die Weiterverarbeitung eines Druckwerts durch die verwendete Steuerungssoftware beeinflusst werden. Insbesondere ist es dann durch eine Parametrierung möglich, nachträglich Einfluss auf die eingestellten Grenzwerte zu nehmen. So kann beispielsweise beim Austausch von einzelnen Komponenten reagiert werden, wenn dadurch eine Erhöhung des auf der Niederdruckseite mindestens herrschenden Drucks erforderlich wird. Beispielsweise, wenn ein druckloses Tankvolumen als Ausgleichsvolumen gegen einen Niederdruckspeicher getauscht werden sollte.
- Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, zum Betätigen der Volumenstrombegrenzungseinrichtung den auf der Niederdruckseite herrschenden Druck zu verwenden. Hierzu ist eine Verbindungsleitung zur Verbindung einer den hydraulischen Widerstand mit dem Ausgleichsvolumen verbindenden Leitung vorgesehen, die mit der Volumenstrombegrenzungsvorrichtung verbunden ist. Eine solche Verbindungsleitung ermöglicht das direkte Ansteuern der Volumenstrombegrenzungseinrichtung durch den sich erhöhenden Druck auf der Niederdruckseite.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann dieser Druckanstieg auf der Niederdruckseite zur Betätigung eines Vorsteuerventils verwendet werden. Das Vorsteuerventil ist Bestandteil der Volumenstrombegrenzungseinrichtung und seinerseits mit der Verbindungsleitung verbunden.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem zwischen einem hydraulischen Widerstand und einem hydropneumatischen Speicher angeordneten Ventil mit drosselndem Querschnitt; -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer verstellbaren hydrostatischen Maschine als hydraulischen Widerstand; -
3 eine hydraulische Ansteuerung eines Schaltventils als Volumenstrombegrenzungseinrichtung mittels des auf der Niederdruckseite herrschenden Drucks; und -
4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem auf eine Verstellvorrichtung als Volumenstrombegrenzungseinrichtung der hydrostatischen Maschine wirkenden Druck der Niederdruckseite. - Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Systems zeigt die
1 . Das hydrostatische System1 umfasst einen hydropneumatischen Speicher2 . Der hydropneumatische Speicher ist als Hochdruckspeicher ausgeführt und weist ein elastisch gegenüber einer Flüssigkeit abgegrenztes Volumen auf. Dieses Volumen wird als Gasblase bezeichnet und ist mit einem kompressiblen Medium, meist Stickstoff, gefüllt. Ferner weist das hydrostatische System1 einen hydraulischen Widerstand auf. Der hydraulische Widerstand ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine hydrostatische Kolbenmaschine3 , die als Pumpe und als Motor betrieben werden kann. Bei Verwendung in einem regenerativen Fahrantrieb wird die hydrostatische Maschine3 dazu verwendet, aus einem Tankvolumen4 , der ein Ausgleichsvolumen bildet, beim hydrostatischen Bremsen Druckmittel anzusaugen und gegen den in dem hydropneumatischen Speicher2 herrschenden Druck zu fördern. Hierzu ist der hydropneumatische Speicher2 über eine Hochdruckleitung5 mit der hydrostatischen Maschine3 verbunden. Zur Verbindung zwischen der hydrostatischen Maschine3 und dem Tankvolumen4 ist eine Niederdruckleitung6 vorgesehen. - In der Hochdruckleitung
5 ist ein Ventil7 mit einstellbarem drosselnden Querschnitt vorgesehen. Das Ventil7 ist als 2/2-Wegeventil ausgeführt und wird durch eine Feder in Ruhestellung in seiner ungedrosselten Position gehalten. In dieser Position verbleibt das Ventil7 solange das System fehlerfrei arbeitet. Zur Erfassung eines Gasverlusts, beispielsweise bei einem Blasenplatzer, aus dem hydraulischen Speicher2 ist ein Drucksensor8 als Mittel zum Erfassen des Drucks auf der Niederdruckseite vorgesehen, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel ein zum erfassten Druck proportionales elektrisches Signal ausgibt. Der Drucksensor8 misst in der Niederdruckleitung6 den dort herrschenden Druck, wobei als Messstelle vorzugsweise ein Messpunkt in unmittelbarer Nähe des Anschlusses der hydrostatischen Maschine3 vorgesehen ist. - Kommt es infolge eines Blasenplatzers in dem hydropneumatischen Speicher
2 zu einem Druckanstieg auf der Niederdruckseite und damit in der Niederdruckleitung6 , so wird ein sich erhöhendes elektrisches Signal von dem Drucksensor8 an ein Steuergerät9 übermittelt. Das Steuergerät9 ist zur Ansteuerung des elektrisch betätigbaren Ventils7 vorgesehen. Bei Überschreiten eines Grenzwerts für den in der Niederdruckleitung6 herrschenden Druck wird durch das Steuergerät9 ein Steuersignal an den das Ventil7 steuernden Elektromagneten10 abgegeben. Infolgedessen wird das Ventil7 aus seiner durch die Feder vorbestimmten Ruheposition in eine drosselnde Stellung gebracht. In der zweiten Endstellung ist das Ventil7 vollständig geschlossen und eine Entnahme von Druckmittel aus dem hydropneumatischen Speicher über die hydrostatische Maschine3 ist unmöglich. In Abhängigkeit von der Höhe des elektrischen Signals, das der Drucksensor an das elektrische Steuergerät9 übermittelt, kann jedoch das Ventil7 vorzugsweise auch auf Zwischenstellungen eingestellt werden, wie es durch das verstellbare Ventil7 in der1 dargestellt ist. Das Ventil wirkt somit als Volumenstrombegrenzungsvorrichtung. - Im Unterschied hierzu ist in der
2 ein abgewandeltes hydrostatisches System1' dargestellt. Die mit den Elementen der1 übereinstimmenden Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auf eine vollständige erneute Beschreibung wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet. Im Unterschied zu der1 ist allerdings in der Hochdruckleitung5 nun kein Ventil7 als Volumenstrombegrenzungsvorrichtung angeordnet. - Vielmehr erfolgt die Verringerung des Volumenstroms von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite durch eine Verstellung der nun verstellbar ausgeführten hydrostatischen Maschine
3' . Hierzu ist eine Verstellvorrichtung10' vorgesehen. Die Verstellvorrichtung10' ist beispielsweise über ein elektromagnetisch betätigtes Ventil betätigbar und lediglich schematisch dargestellt. Die Verstellvorrichtung10 bildet hierbei die Volumenstrombegrenzungsvorrichtung, da sie auf den über die hydrostatische Maschine3' erzeugten Volumenstrom einwirkt. - Anstelle des Drucksensors
8 der1 , der ein proportionales Signal zu dem erfassten Druck an das Steuergerät9 weitergibt, wird nunmehr ein einfacher Druckschalter8' eingesetzt. Dieser Druckschalter8' kann auf einen festen Druckwert eingestellt werden, oberhalb dessen er ein elektrisches Signal dem Steuergerät9 zuführt. Erhält das Steuergerät9 ein entsprechendes elektrisches Signal von dem Druckschalter8' , so wird die Verstellvorrichtung10 als Volumenstrombegrenzungsvorrichtung betätigt und verstellt die hydrostatische Maschine3' in Richtung kleiner werdenden Fördervolumens. Bei der einfachen Ausführung wie sie in der2 gezeigt ist, wird bei Vorliegen eines Signals durch den Druckschalter8 die hydrostatische Maschine3' vorsichtshalber auf ein Nullschluckvolumen gestellt. - In der
3 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der anstelle der elektrischen Erfassung des Druckanstiegs auf der Niederdruckseite beim Blasenplatzer eine rein hydraulische Lösung vorgesehen ist. Das hydraulisch betätigte Ventil7' ist nunmehr im Gegensatz zu der1 als reines Schaltventil ausgeführt. Durch die Feder wird es wiederum in seiner geöffneten Position gehalten. In entgegengesetzter Richtung ist eine Messfläche10' vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung11 zur Erfassung des Drucks mit dem Druck der Niederdruckleitung beaufschlagt ist. Übersteigt nun der Druck der Niederdruckleitung6 einen durch die Feder vorgegebenen Grenzwert, so wird das Ventil7' in seine geschlossene Position gebracht. Weiterhin ist anstelle des Ausgleichsvolumens in Form des Tankvolumens4 nunmehr ein Niederdruckspeicher4' vorgesehen, der wie es dargestellt ist, ebenfalls als hydropneumatischer Speicher ausgebildet sein kann. - Die
4 zeigt weiterhin ein viertes Ausführungsbeispiel des Systems1''' , bei dem eine hydraulische Ansteuerung der verstellbaren hydrostatischen Maschine3' vorgesehen ist. Anstelle der elektromagnetischen Betätigung der Verstellvorrichtung als Volumenstrombegrenzungseinrichtung ist nunmehr eine hydraulische Betätigung10''' der Verstellvorrichtung10''' der hydrostatischen Maschine3' vorgesehen. In beiden Fällen, also sowohl dem Ausführungsbeispiel der3 als auf dem Ausführungsbeispiel der4 ist eine direkte hydraulische Ansteuerung der Volumenstrombegrenzungsvorrichtung gezeigt. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Volumenstrombegrenzungseinrichtungen ein Vorsteuerventil umfassen, sodass insbesondere bei Verwendung einer Verstellvorrichtung10''' der hydrostatischen Maschine3' ein höherer Stelldruck verfügbar ist. - In den
3 und4 ist jeweils die Verwendung eines Niederdruckspeichers4' vorgesehen. Dabei kann es aufgrund der Vorspannung, die durch den Niederdruckspeicher4' erzeugt wird, problematisch sein, einen Druckanstieg zu detektieren. Es ist dann eine mit der Niederdruckleitung6 verbundene Einrichtung15 vorgesehen. Diese Einrichtung15 stellt schematisch eine Kopplung der Niederdruckleitung6 mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Tankvolumen dar. Eine solche Einrichtung15 kann beispielsweise ein Spülventil sein, in dem Fall, in dem die hydrostatische Maschine3' ein im geschlossenen hydraulischen Kreislauf betriebener Hydromotor ist. Über ein solches Spülventil wird aus der jeweils den Niederdruck führenden Leitung Druckmittel entnommen und in das Tankvolumen, welches unter Atmosphärendruck steht, abgeführt. Mittels des Drucksensors8 wird dieser Druck erfasst und ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, wie es unter Bezugnahme auf die1 bereits erläutert wurde. Die Ausführung der Einrichtung15 als Spülventil ist lediglich beispielhaft zu versehen. Im Falle, dass es sich bei der hydrostatischen Maschine um eine Pumpe handelt, kann der Druck dagegen in einem Leckagekanal erfasst werden. Je nach Aufbau des Systems ist es vorteilhaft, eine bereits bestehende Verbindung zu dem unter Atmosphärendruck stehenden Tankvolumen zu verwenden. - Es ist selbstverständlich, dass die einzelnen Merkmale der in den
1 –4 gezeigten Ausführungsbeispiele auch untereinander kombiniert werden können. Beispielsweise ist als Ausgleichsvolumen anstelle des Tankvolumens4 in den1 und2 auch der Niederdruckspeicher4' der3 und4 einsetzbar. Zudem kann der Drucksensor8 auch im Ausführungsbeispiel der2 und der Druckschalter8' der2 im Ausführungsbeispiel der1 verwendet werden. Ebenso ist es möglich, das Ausführungsbeispiel der3 mit einem stufenlos einstellbaren Ventil7 der1 auszuführen oder umgekehrt in der1 lediglich ein Schaltventil7' vorzusehen. - Zudem ist es auch möglich, bei der Ausführung der
1 als Schaltventil unmittelbar ein über einen Druckschalter8' erzeugtes elektrisches Signal zur Ansteuerung des Elektromagneten des Schaltventils zu verwenden. Die Zwischenschaltung eines Steuergeräts zur Auswertung des Signals des Drucksensors kann dann entfallen. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005060990 A1 [0002]
- - US 6971411 B1 [0004]
Claims (8)
- Hydrostatisches System mit einem hydropneumatischen Speicher (
2 ), der über einen hydraulischen Widerstand (3 ,3' ,7 ,7' ) mit einem Ausgleichsvolumen (4 ,4' ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erfassen eines auf der dem Ausgleichsvolumen (4 ,4' ) zugewandten Seite des hydraulischen Widerstands (3 ,3' ,7 ,7' ) herrschenden Drucks vorgesehen sind, wobei beim Überschreiten eines Grenzwerts für den Druck eine Volumenstrombegrenzungseinrichtung (7 ,7' ,10' ,10''' ) betätigbar ist. - Hydrostatisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Volumenstrombegrenzungseinrichtung (
10' ,10''' ) eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist, die auf eine dem hydraulischen Widerstand (3 ,3' ) wirkende verstellbare hydrostatische Maschine wirkt. - Hydrostatisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widerstand (
7 ,7' ) einen aufstellbaren Drosselquerschnitt aufweist, der bei Überschreiten des Grenzwerts reduzierbar ist. - Hydrostatisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Drucks ein Drucksensor (
8 ,8' ) vorgesehen ist. - Hydrostatisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (
8 ,8' ) ein Druckschalter (8' ) ist. - Hydrostatisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (
8 ,8' ) mit einer die Volumenstrombegrenzungseinrichtung (7 ,10 ) ansteuernden Steuereinrichtung (9 ) verbunden ist. - Hydrostatisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betätigen der Volumenstrombegrenzungseinrichtung (
7 ,7' ,10' ,10''' ) eine Verbindungsleitung (11 ) zur Verbindung einer den hydraulischen Widerstand (3 ,3' ,7 ,7' ) mit dem Ausgleichsvolumen (4 ,4' ) verbindenden Leitung (6 ) mit der Volumenstrombegrenzungseinrichtung (7' ,10''' ) vorgesehen ist. - Hydrostatisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrombegrenzungsvorrichtung (
7' ,10''' ) ein Vorsteuerventil aufweist, dass mit der Verbindungsleitung (11 ) verbunden ist.
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