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Die
Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem gemäß der Merkmalsausgestaltung
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Hydrostatische
Antriebe, wie sie beispielsweise in dem Dokument
WO 2007/079935 A1 aufgezeigt
sind, werden häufig
in Nutzfahrzeugen wie Bussen oder mobilen Arbeitsgeräten verwendet.
Diese Antriebssysteme bieten die Möglichkeit, während Bremsvorgängen einen
Teil der kinetischen Energie als Druckenergie zu speichern und anschließend zurückzugewinnen,
um Beschleunigungsvorgänge
zu unterstützen.
Diesbezüglich
ist es Stand der Technik, für
zumindest eine Antriebseinheit einen Hydromotor in Form einer verstellbaren
Motor-Pumpen-Einheit auszubilden, so dass der Hydromotor bei einem Schiebebetrieb
des Antriebssystemes Druckmittel fördert. Das Fördervolumen
wird als Ladevolumen dem Hochdruckspeicher zugeführt, wobei sich sowohl eine
Bremswirkung in der Antriebseinheit ergibt als auch eine Speicherung
von Druckenergie im Hochdruckspeicher. Diese Energie ist rückzugewinnen,
indem für
Beschleunigungsvorgänge
der Hochdruckspeicher mit der beim Antriebszustand der Förderseite
zugeordneten Arbeitsleitung verbunden wird. Beim jeweiligen Arbeitsspiel
für Beschleunigen und
Bremsen ist jeweils der zweite Hydrospeicher, der Niederdruckspeicher,
mit einer der Arbeitsleitungen zum Ausgleich der der jeweils anderen
Arbeitsleitung zugeführten
oder entnommenen Volumina verbunden.
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Durch
die
DE 10 2005
060 994 A1 ist ein gattungsgemäßes, hydrostatisches Antriebssystem
bekannt, mit einer motorisch antreibbaren Hydropumpe, die unter
Bildung eines hydraulischen Kreislaufs über eine erste und eine zweite
Arbeitsleitung mit zumindest einer hydraulischen Antriebseinheit
verbindbar ist, die mit einem Radsatz verbunden ist, mit einem ersten
Hydrospeicher zum Speichern von Druckenergie, der mit einer der
Arbeitsleitungen verbindbar ist, und einem mit der jeweils anderen
Arbeitsleitung verbindbaren zweiten Hydrospeicher und mit einer
Ventileinrichtung, durch die der jeweils zu der Antriebseinheit
verlaufende Abschnitt jeder Arbeitsleitung auftrennbar ist, um von
dem die Hydropumpe enthaltenden Teil des Kreislaufs einen Speicherteil abzutrennen,
der die Hydrospeicher und die zumindest eine Antriebseinheit enthält. Bei
der bekannten Lösung
ist erreicht, dass insbesondere bei einem Einsatz bei hydrostatischen
Fahrantrieben beim Umschalten von einem beschleunigten Betrieb auf
einen Schiebebetrieb kein undefinierter und momentenfreier Betrieb
auftreten kann. Gleichzeitig ist erreicht, dass die Bremsenergie
möglichst
vollständig
durch Aufladen des Hochdruckspeichers genutzt ist, um dergestalt
im Anschluß bei
einer nachfolgenden Beschleunigung einen möglichst großen Teil der Bremsenergie rückgewinnen
zu können.
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Ausgehend
von dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Antriebssystem der betrachteten Art zur Verfügung zu
stellen, das sich nicht nur durch einen besonders einfachen Aufbau
des hydraulischen Kreislaufs, sondern gleichzeitig durch ein gegenüber dem
Stand der Technik verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist diese
Aufgabe durch ein hydrostatisches Antriebssystem gelöst, das
die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 zwei gesonderte hydraulische Antriebseinheiten
vorgesehen und funktionsmäßig miteinander
in Wirkverbindung sind und dass mittels der Ventileinrichtung der
jeweils zwischen den Antriebseinheiten verlaufende Abschnitt jeder
Arbeitsleitung auftrennbar ist, verbleibt daher bei Beschleunigungs-
und Bremsvorgängen
nach Abtrennen des Speicherteils im anderen Teilkreislauf, der als
Versorgungsteil die Hydropumpe enthält, auch eine hydraulische
Antriebseinheit, so dass bei Beschleunigungsvorgängen sowohl die dem Speicherteil
zugehörige
Antriebseinheit durch aus dem Hochdruckspeicher zurückgewonnene
Energie unterstützt
wird, als auch gleichzeitig die dem Versorgungsteil zugehörige Antriebseinheit
von der Hydropumpe mit Antriebsenergie versorgt wird. Im Effekt ergibt
sich somit eine Leistungsaddition aus der von der zurückgewonnenen
Druckenergie stammenden Leistung und der von der Hydropumpe an die
dem Versorgungskreis zugehörige
Antriebseinheit gelieferten Energie.
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Dadurch,
dass eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, durch die der jeweils
zu der zumindest einen Antriebseinheit verlaufende Abschnitt jeder
Arbeitsleitung von der Funktion her auftrennbar ist, wird durch
das Auftrennen dieser Abschnitte beider Arbeitsleitungen der hydraulische
Kreislauf in zwei Teilkreisläufe
unterteilt, nämlich
in einen die Hydropumpe enthaltenden Teil des Kreislaufs und einen
Speicherteil, der die zumindest eine Antriebseinheit und die Hydrospeicher
enthält.
Im normalen Antriebszustand, also ohne Beschleunigungs- oder Bremsvorgang,
ist keine Unterbrechung der Arbeitsleitungen zu der Antriebseinheit
vorgesehen, so dass die Antriebseinheit von der Hydropumpe über die
Arbeitsleitung versorgt wird. Soll ein Beschleunigungs- oder Bremsvorgang
erfolgen, werden durch die Ventileinrichtungen die Verbindungen
zu der Antriebseinrichtung aufgetrennt. Dies bedeutet, dass vom
hydraulischen Kreislauf der Speicherteil abgetrennt ist und für Beschleunigungs-
und Bremsvorgänge
daher lediglich der den Speicherteil zugehörige Anteil an Leitungen und
hydraulischen Komponenten beteiligt ist. Dadurch ergibt sich nicht
nur der Vorteil eines guten Ansprechverhaltens aufgrund der Steifigkeit
des lediglich den Speicherteil umfassenden Leitungssystems, wodurch
auch Hystereseerscheinungen vermieden sind, sondern die Anordnung
zeichnet sich auch durch geringe Strömungsverluste aufgrund der verringerten,
von den beteiligten Volumina zu durchströmenden Leitungsvolumina aus.
Im Gegensatz hierzu ist bei der erwähnten bekannten Lösung, bei der
keine Abtrennung eines Speicherteiles, der lediglich bei Beschleunigung
und Bremsen aktiv ist, vorgesehen ist, bei sämtlichen Betriebszuständen der
gesamte Kreislauf aktiv und von Druckmittelvolumina zu durchströmen, wodurch
sich entsprechende Verschiebeverluste und ein entsprechend träges Ansprechverhalten
ergeben.
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Die
Antriebseinheiten können
unmittelbar mechanisch miteinander gekuppelt sein, wobei sich beispielsweise
bei Fahrantrieben eine einfache Bau weise ergibt. Dies ist jedoch
nicht zwingend. Eine funktionsmäßige Wirkverbindung
könnte
alternativ über
Getriebe- und/oder Kupplungseinrichtungen erfolgen oder einfach
in der Weise, dass einer oder mehrere Radsätze jeder Antriebseinheit auf
einer gemeinsamen Lauf- oder Fahrbahn abrollen, die Antriebseinheiten
also nicht getrieblich, sondern lediglich über das gemeinsame Abrollen
auf gemeinsamer Laufbahn miteinander in Wirkverbindung sind.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen weist
die Ventileinrichtung, mittels deren der Speicherteil vom hydraulischen
Kreislauf abtrennbar ist, in jeder Arbeitsleitung ein Wege-Schaltventil
auf, die in den Öffnungszustand
vorgespannt und durch elektromagnetische Betätigung in den Sperrzustand steuerbar
sind.
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Hinsichtlich
des Speicherteiles kann die Anordnung so getroffen sein, dass der
Speicherteil eine zweite Ventileinrichtung aufweist, die mit dem
ersten Hydrospeicher, der als Hochdruckspeicher zum Speichern von
Druckenergie dient, verbunden ist, und eine dritte Ventileinrichtung
aufweist, die mit dem zweiten, als Niederdruckspeicher dienenden
Hydrospeicher verbunden ist. Diese zweite und dritte Ventileinrichtung
ermöglichen
es, dass der Speicherteil, wenn kein Beschleunigungs- oder Bremsvorgang stattfindet,
sozusagen inaktiv bleibt, indem, wenn keine Abtrennung des Speicherteiles
stattfindet, beide Hydrospeicher mittels der im Sperrzustand befindlichen
zweiten und dritten Ventileinrichtungen vom Kreislauf getrennt sind.
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Dabei
ist die Anordnung so getroffen, dass die zweite und die dritte Ventileinrichtung
des Speicherteiles beide je ein Beschleunigungsventil aufweisen,
die für
einen Beschleunigungsvorgang in den Öffnungszustand steuerbar sind,
um zur Rückgewinnung
gespeicherter Druckenergie den Hochdruckspeicher mit der die Antriebs-Durckversorgung
der dem Speicherteil zugehörigen
Antriebseinheit bewirkenden ersten Arbeitsleitung zu verbin den und
den Niederdruckspeicher mit der anderen, zweiten Arbeitsleitung
zu verbinden. Weiterhin können
die zweite und die dritte Ventileinrichtung des Speicherteiles beide
je ein Bremsventil aufweisen, die für einen Bremsvorgang in den Öffnungszustand
steuerbar sind, um zur Speicherung von Druckenergie die zweite Arbeitsleitung,
d. h. die beim Schiebebetrieb der Förderseite der Antriebseinheit
zugehörige
Arbeitsleitung, mit dem Hochdruckspeicher und die andere, erste
Arbeitsleitung mit dem Niederdruckspeicher zu verbinden.
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Vorzugsweise
sind sowohl Beschleunigungsventile als auch Bremsventile jeweils
durch in den Sperrzustand vorgespannte und durch elektromagnetische
Betätigung
in den Öffnungszustand steuerbare
Wegeventile gebildet. Ohne elektrische Ansteuerung ist daher der
Speicherteil, einschließlich der
Hydrospeicher, der den Hydrospeichern üblicherweise zugeordneten Sicherheitskomponenten
und einschließlich
der zweiten und der dritten Ventileinrichtung, hydraulisch vom übrigen Kreislauf
separiert, der beim normalen Antriebszustand aktiv ist.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
im Einzelnen erläutert.
Die einzige Figur zeigt in Symboldarstellung die hydraulische Schaltung
des hier zu beschreibenden Beispieles des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Die
Erfindung ist am Beispiel eines Fahrantriebes, der beispielsweise
für einen
Einsatz bei Bussen vorgesehen ist, beschrieben, wobei zwei Antriebseinheiten 5 und 7 mit
je einem Radsatz 1 und 3 verbunden sind. Bei der
ersten Antriebseinheit 5 handelt es sich um einen Kontantmotor,
der entsprechend zweier Volumenstromrichtungen in zwei Drehrichtungen
betreibbar ist. Die zweite Antriebseinheit 7 ist durch
eine Verstell-Motor-Pumpe
gebildet, ebenfalls für
zwei Volumenstromrichtungen, entsprechend zwei Drehrichtungen. Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind erste Antriebseinheit 5 und zweite Antriebseinheit 7 unmittelbar
mechanisch über
eine Verbindungswelle 9 gekuppelt.
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Für die Energieversorgung
des Systems ist ein Primärantrieb
durch eine Verbrennungskraftmaschine, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
in Form eines Dieselmotors 11, vorgesehen, der eine Hydropumpe 13 in
Form einer Verstellpumpe antreibt, die bei gleicher Drehrichtung
in zwei Volumenstromrichtungen fördern
kann. Gemeinsam mit der Hydropumpe 13 ist eine Speisepumpe 15 in
Form einer Konstantpumpe antreibbar, die, wie später noch besprochen, aus einem
Tank 17 eine Nachspeisung des Systems mit Hydraulikflüssigkeit
ermöglicht,
um Leckverluste des Systems auszugleichen. An den beiden Anschlüssen der
Hydropumpe 13 sind zur Bildung eines hydraulischen Kreislaufes
eine erste Arbeitsleitung 19 und eine zweite Arbeitsleitung 21 angeschlossen,
von denen die erste Arbeitsleitung 19 mit einem Anschluss
A1 der ersten Antriebseinheit 5 und die zweite Arbeitsleitung 21 mit
dem anderen Anschluss B1 der ersten Antriebseinheit 5 in
Verbindung sind. Die Arbeitsleitung 19 setzt sich über einen
Leitungsabschnitt 23 zum Anschluss A2 der zweiten Antriebseinheit 7 fort,
während
sich die zweite Arbeitsleitung 21 über einen Leitungsabschnitt 25 zum
zweiten Anschluss B2 der zweiten Antriebseinheit 7 fortsetzt.
In jedem dieser Leitungsabschnitte 23 und 25 befindet
sich ein 2/2-Wegeventil V1 bzw. V2. Diese dienen als Schaltventile,
die im Öffnungszustand
den zugeordneten Leitungsabschnitt 23 bzw. 25 freigeben
oder im Sperrzustand auftrennen. Die Wegeventile V1 und V2 sind
mechanisch in den Öffnungszustand
vorgespannt und durch elektrische Betätigung ihres Betätigungsmagneten 27 in
den Sperrzustand überführbar.
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An
die Leitungsabschnitte 23 und 25 der Arbeitsleitungen 19 bzw. 21 schließt sich über Verbindungsleitungen 29 bzw. 31 ein
als Ganzes mit 33 bezeichneter Speicherteil an, der den
gesamten hydraulischen Kreislauf vervollständigt.
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Die
bereits erwähnte
Speisepumpe 15, deren Förderseite
durch ein Druckbegrenzungsventil 35 zur Tankseite hin abgesichert
ist, ist förderseitig über Rückschlagventile 37 und 39 mit
den Arbeitsleitungen 19 und 21 in Verbindung,
um den Füllzustand des
Systems zu erhalten. Hinsichtlich des im Betrieb herrschenden Systemdruckes
sind zwischen den Arbeitsleitungen 19 Druckbegrenzungsventile 41 und 43 so
geschaltet, dass eine Begrenzung des maximalen Differenzdruckes
zwischen den Arbeitsleitungen 19 und 21 stattfindet.
Zur Begrenzung des Systemdruckes in den sich an die Leitungsabschnitte 23 und 25 anschließenden Speicher-Verbindungsleitungen 29 und 31 sind
je ein weiteres Druckbegrenzungsventil 45 und 47 zur
Tankseite hin angeordnet. Zudem ermöglicht ein 3/2-Wegeventil 49,
das über Steuerdruck
von der Arbeitsleitung 19 oder der Arbeitsleitung 21 her
druckbetätigt
geöffnet
werden kann, eine Ausspeisung zur Tankseite über ein den Ausspeisedruck
begrenzendes Druckbegrenzungsventil 51. Zur Gewinnung eines
Signales für
den Druck in der Arbeitsleitung 19 an dem Leitungsabschnitt 23 der
Arbeitsleitung 19 und damit an der damit zusammenhängenden
Speicher-Verbindungsleitung 29 ist ein Druck-Spannungswandler 54 vorgesehen.
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Der
Speicherteil 33 weist einen Hochdruckspeicher 53 und
einen Niederdruckspeicher 55 auf, denen jeweils ein Speichersicherheitsblock 57 vorgeschaltet
ist, die in bei derartigen Speicheranordnungen üblicher, bekannter Weise ausgebildet
sind, so dass sich eine nähere
Beschreibung der Sicherheitsblöcke 57 erübrigt. Am
Eingang 59 bzw. 61 jedes Sicherheitsblockes 57 ist
eine Ventileinrichtung 63 bzw. 65 angeschlossen,
wobei jede Ventileinrichtung 63 und 65 jeweils
zwei 2/2-Wegenventile enthält,
nämlich
bei der Ventileinrichtung 63 des Hochdruckspeichers 53 ein
Wegeventil V4.3 und ein Wegeventil V4.4, während die Ventileinrichtung 65 ein
Wegeventil V4.1 und ein Wegeventil V4.2 aufweist. Sämtliche dieser
Wegeventile sind mechanisch in den Sperrzustand vorgespannt und
durch An steuerung ihres Betätigungsmagneten 67 elektrisch
in den Öffnungszustand
steuerbar.
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Die
Figur zeigt einen Betriebszustand, bei dem sämtliche elektromagnetisch steuerbaren
Wegeventile stromlos sind. Dieser Zustand entspricht dem normalen
Antriebszustand des Systems, ohne Beschleunigung oder Bremsen. Dabei
sind die in den Leitungsabschnitten 23 und 25 der
Arbeitsleitungen 19 bzw. 21 angeordneten Wegeventile
V1 und V2 im Öffnungszustand,
während
sämtliche
Wegeventile, die den Ventileinrichtungen 63 und 65 des
Speicherteiles 33 zugehören,
im Sperrzustand sind. Der Speicherteil 33 ist daher an
den Speicherverbindungsleitungen 29 und 31 vom übrigen Kreislauf
abgetrennt. Beim normalen Antriebszustand bestimmt sich daher die
Leistung der Antriebseinheiten 5 und 7 ausschließlich nach
der Förderleistung
der Hydropumpe 13, wobei eine Einstellung auf Förderleistung
Null einem Stillstand des betreffenden Fahrzeuges entsprechen kann.
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Um
nach einem Stillstand des Fahrzeuges das System in den Anfangs-Betriebszustand zu
versetzen, bei dem zum Anfahren ein Beschleunigungsvorgang unter
Mitwirkung des Speicherteiles 33 erfolgen kann, ist ein
Ladeventil V3 in Form eines 4/2-Wegeventils vorgesehen, dessen erster
Eingang 69 mit der ersten Arbeitsleitung 19 und
dessen zweiter Eingang 71 mit der zweiten Arbeitsleitung 21 verbunden ist.
Ausgänge 75 und 73 sind über eine
erste Ladeleitung 79 bzw. eine zweite Ladeleitung 81 mit
dem Eingang 61 am Hochdruckspeicher 53 bzw. dem
Eingang 59 am Niederdruckspeicher 55 in Verbindung. Beide
Speicher 53, 55 sind daher bei Ansteuerung des
Betätigungsmagneten 83 des
Ladeventils V3, das in den Schließzustand vorgespannt ist, auf
das gewünschte
Druckniveau aufzuladen, wobei Druck-Signalwandler 85 und 87 eine
Anzeige der Ladedrücke
liefern.
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Wenn
ein Beschleunigungsvorgang stattfinden soll, etwa für das Anfahren
aus dem Stillstand oder für
die Geschwindigkeitserhöhung
beim Fahrbe trieb, werden die Betätigungsmagnete 27 der
Wegeventile V1 und V2 angesteuert, um diese Ventile zu sperren.
Dadurch wird der Leitungsabschnitt 23 der Arbeitsleitung 19 und
der Leitungsabschnitt 25 der Arbeitsleitung 21 aufgetrennt.
Vorn hydraulischen Kreislauf wird daher von einem verbleibenden
Teil, nämlich
dem Versorgungsteil, der sich von der Hydropumpe 13 bis
zur ersten Antriebseinheit 5 erstreckt, der Speicherteil 33 abgetrennt,
zu dem die zweite Antriebseinheit 7 gehört. Während beim gezeigten Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei Antriebseinheiten 5 und 7 vorgesehen
sind, nunmehr die Hydropumpe 13 weiterhin hydraulisch mit
der ersten Antriebseinheit 5 verbunden bleibt, steht der
aktivierte Speicherteil 33 für den gewünschten Beschleunigungsvorgang
zur Verfügung,
wobei der zweiten Antriebseinheit 7 aus dem Hochdruckspeicher 53 rückgewonnene
Energie zugeführt
wird. Zu diesem Zweck werden in den Ventileinrichtungen 63 und 65 jeweils
durch Bestromen der Magnete 67 diejenigen Wegeventile in
den Öffnungszustand
gesteuert, die als Beschleunigungsventile dienen. Bei Vorwärtsbetrieb
ist dies in der Ventileinrichtung 63 das Ventil V4.4, und
bei der Ventileinrichtung 65 das Ventil V4.2. Dadurch wird über die
Speicher-Verbindungsleitung 29 der
Hochdruckspeicher 53 mit dem Anschluss A2 der zweiten Antriebseinheit 7 und über die Speicher-Verbindungsleitung 31 der
Niederdruckspeicher 55 mit dem anderen Anschluss B2 der
Antriebseinheit 7 verbunden. Somit wirkt die Druckenergie
des Speichers 53 über
den druckseitigen Eingang der Antriebseinheit 7, während der
niederdruckseitig aus der Antriebseinheit 7 ausgegeben
Volumenstrom über
die Speicher-Verbindungsleitung 31 dem Niederdruckspeicher 55 zugeführt wird.
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Wenn
im Gegensatz hierzu ein Bremsvorgang stattfinden soll, wobei wiederum
die Wegeventile V1 und V2 geschlossen und der Speicherteil 33 daher
an den Abschnitten 23 und 25 vom Versorgungskreis
abgetrennt ist, werden die in den Ventileinrichtungen 63 und 65 des
Speicherteiles enthaltenen Wegeventile V4.3 und V4.1, die als Bremsventile dienen,
in den Öffnungszustand
gesteuert. Somit ist nunmehr der Hochdruckspeicher 53 mit dem
Anschluss B2 der Antriebseinheit 7 in Verbindung, deren
anderer Anschluss A2 mit dem Niederdruckspeicher 55 verbunden
ist, so dass die im Hochdruckspeicher 53 gespeicherte Druckenergie
als Verzögerungsenergie
zurückgewonnen
wird, die an der zweiten Antriebseinheit 7 wirksam ist.
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Vorstehend
ist die Betriebsweise des Systems anhand des Vorwärtsbetriebs
oder der Vorwärtsfahrt
beschrieben. Da die Hydropumpe 13 eine Verstellpumpe ist,
so dass zwei Volumenstromrichtungen möglich sind, ist das System
ohne weiteres im Rückwärtsbetrieb
betreibbar. Von den in den Ventileinrichtungen 63 und 65 des
Speicherteiles 33 befindlichen Wegenventilen fungieren
im Rückwärtsbetrieb
nunmehr die Wegeventile V4.3 und V4.1 als Beschleunigungsventile,
während
die Wegeventile V4.4. und V4.2 nunmehr als Bremsventile fungieren.
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Während zwei
Antriebseinheiten 5 und 7 beim gezeigten Ausführungsbeispiel
vorhanden sind, könnte
mit lediglich einer Antriebseinheit gearbeitet werden, die sowohl
bei normalem Antriebszustand als auch bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen wirksam
ist. Mit anderen Worten gesagt, könnte bei der Darstellung entsprechend
der vorliegenden Figur die Antriebseinheit 5 weggelassen
sein. Gegenüber einer
solchen Ausführungsform
ist jedoch das hier beschriebene Beispiel insofern vorteilhaft,
als sowohl beim normalen Antriebszustand, also bei geöffneten Ventilen
V1 und V2 und inaktivem Speicherteil 33, beide Antriebseinheiten 5 und 7 wirksam
sind, und dass auch bei geschlossenen Ventilen V1 und V2 die erste
Antriebseinheit 5 im Versorgungsteil des Kreislaufes aktiv
verbleibt und von der Hydropumpe 13 entsprechend betätigt wird.
Da die zweite Antriebseinheit 7 eine Verstell-Motorpumpe
ist mit zwei gegenläufigen
Volumenstromrichtungen, ist eine Funktion des hydrostatischen Antriebssystems
gewährleistet,
auch wenn die Ventilbaugruppen V4.1 und V4.3 oder V4.2 und V4.4
entfallen sollten.