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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit Energierückgewinnung und Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems mit Energierückgewinnung.
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Eine mögliche Art der Energierückgewinnung in Antriebssystemen, insbesondere bei hydrostatischen Fahrantrieben, ist die Umwandlung der mechanischen Energie in Druckenergie durch eine hydrostatische Maschine und der Speicherung der Druckenergie in einem mit der hydrostatischen Maschine verbundenen Hydrospeicher. Wird in einem solchen Antriebssystem Energie frei, z. B. durch Bremsen, wird die Energie durch die als Pumpe arbeitende hydrostatische Maschine beim Fördern in den Speicher in Druckenergie umgewandelt und bei einem späteren Beschleunigen durch die als Motor arbeitende hydrostatische Maschine wieder freigegeben. Der Hydrospeicher kann dabei für eine Vielzahl an Funktionen zur Energiespeicherung oder Antreiben des Antriebssystems oder eines dritten hydraulischen oder mechanischen Systems verwendet werden.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 058 003 A1 wird eine hydrostatische Energierückgewinnung wie zuvor beschrieben dazu genutzt, beim Hochschalten eines Schaltgetriebes die von den Antriebsrädern getrennten Antriebsmaschine auf die Drehzahl einer Zielübersetzung abzubremsen und die dabei gewonnene Energie in dem Hydrospeicher zwischenzuspeichern. Nach dem Einlegen des Ganges wird die gespeicherte Energie wieder freigegeben, um die Antriebsräder weiter zu beschleunigen oder um die Antriebsmaschine beim weiteren Beschleunigen zu unterstützen. Nachteilig an einer solchen hydrostatischen Energierückgewinnung ist, dass der für das Hochschalten ausgelegte Hydrospeicher relativ klein ist und nur eine geringe Speicherkapazität hat. Frei werdende Energie bei längeren Bremsvorgängen kann damit nicht gespeichert werden. Weiterhin nachteilig ist es, dass der Hydrospeicher zum Hochschalten leer sein muss, um die Antriebsmaschine abzubremsen und die Bremsenergie speichern zu können. Ein solcher Hydrospeicher würde sich also nicht zum Speichern von Bremsenergie eignen. Umgekehrt ist bei einer Nutzung dieses Speichers für andere Funktionen die Nutzbarkeit begrenzt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem mit Energierückgewinnung und ein Verfahren für dessen Betrieb zu finden, welches die Probleme des Stands der Technik behebt. Die Aufgabe ist es, das Antriebssystem mit Energierückgewinnung des Stands der Technik so zu verbessern, dass das Energierückgewinnungssystem oder das Verfahren dazu hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Antriebssystem mit Energierückgewinnung nach Anspruch 1 gelöst. Dieses weist eine hydrostatische Maschine auf, die mit einem ersten Hydrospeicher und einem zweiten Hydrospeicher verbindbar ist. Jeder Hydrospeicher kann von der hydrostatischen Maschine umgewandelte Energie als Druckenergie speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Beide Hydrospeicher sind mit der Hochdruckseite der hydrostatischen Maschine verbunden und können individuell auf die jeweils zu erfüllende Speicherung- und Wiederverwertungsaufgabe abgestimmt sein. Für unterschiedliche Rückgewinnungsfunktionen stehen damit an einer hydrostatischen Kolbenmaschine mehrere Speicher umschaltbar zur Verfügung.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eines Antriebssystems mit Energierückgewinnung mit einer hydrostatischen Maschine und einem ersten und zweiten Hydrospeicher nach Anspruch 13 gelöst. Dabei werden der erste und der zweite Hydrospeicher wechselweise mit der Hochdruckseite der hydrostatischen Maschine verbunden, um wechselseitig zumindest eine erste und zumindest eine zweite Funktion zu erfüllen. Die Auswahl des zu verbindenden Hydrospeichers hängt demnach von der zu erfüllenden Funktion ab. Es wird dabei immer mit derselben hydrostatischen Maschine gearbeitet.
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Durch die Verwendung von zwei Hydrospeichern, kann sichergestellt werden, dass ein Hydrospeicher immer für eine spezielle Funktion bereitgehalten wird, während der andere Hydrospeicher für sonstiges Speichern und Freigeben von Energie benutzt werden kann. So kann z. B. ein Speicher immer leer gehalten werden, um, im Falle eines Hochschaltens bei einem hydrostatischen Fahrantrieb, die Antriebsmaschine beim Synchronisieren abzubremsen und diese Bremsenergie zu speichern.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterführungen der Erfindung.
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Es ist vorteilhaft, dass der erste Hydrospeicher und der zweite Hydrospeicher zumindest eine unterschiedliche Eigenschaft aufweisen. Als solche Eigenschaft hat der erste Hydrospeicher ein größeres Volumen als der zweite und/oder ist für unterschiedliche Drücke ausgelegt, z. B. ist der erste Hydrospeicher für einen höheren Druck ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass jeder Hydrospeicher optimal für zumindest eine Funktion oder eine Gruppe von Funktionen ausgelegt ist. So kann ein Hydrospeicher zur Speicherung von Bremsenergie mit einem größeren Volumen ausgestattet werden und für einen höheren Druck ausgelegt sein, als ein Hydrospeicher für die Energierückgewinnung bei einem Gangwechsel in dem Schaltgetriebe des Antriebssystems.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Verbindung zwischen der hydrostatischen Maschine mit dem ersten Hydrospeicher oder dem zweiten Hydrospeicher durch eine Ventilvorrichtung realisiert ist und eine Steuervorrichtung mit der Ventilvorrichtung verbunden ist, um den Verbindungszustand zu steuern. Die Steuervorrichtung gibt hierzu allgemein Steuersignale, durch die die Ventilvorrichtung betätigt wird. Ventile erlauben eine einfache, kostengünstige und effiziente Steuerung des Verbindungszustandes zwischen den Hydrospeichern und der hydrostatischen Maschine. Die Ventilvorrichtung kann zum Beispiel vorteilhaft als ein 3/3-Wegeventil ausgeführt werden. Das 3/3-Wegeventil verbindet dabei in den drei Stellungen den ersten Hydrospeicher, oder den zweiten Hydrospeicher in den beiden Endstellungen oder keinen Hydrospeicher in einer Neutralstellung mit der hydrostatischen Maschine. Zur Steuerung des Verbindungszustands ist folglich nur ein Ventil nötig. Alternativ kann die Ventilvorrichtung auch ein erstes Ventil zum Verbinden des ersten Hydrospeichers mit der hydrostatischen Maschine und ein zweites Ventil zum Verbinden des zweiten Hydrospeichers mit der hydrostatischen Maschine aufweisen. Damit lässt sich eine Vielzahl von Verbindungsmöglichkeiten realisieren, ohne ein komplexes und teures Ventil mit einer Vielzahl an Schaltstellungen zu verwenden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn weitere hydrostatische Maschinen, wie z. B. eine Hydraulik, mit dem ersten und/oder dem zweiten Hydrospeicher und/oder der hydrostatischen Maschine verbunden werden sollen. Damit kann auch eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Hydrospeicher durch das Verbinden beider Hydrospeicher mit der hydrostatischen Maschine erzielt werden, ohne ein Ventil durch eine weitere Ventilstellung zu verkomplizieren.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, dass das Antriebssystem einen Verbrennungsmotor als primäre Antriebsquelle aufweist und die hydrostatische Maschine mit dem Verbrennungsmotor verbindbar ist, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, den zweiten Hydrospeicher mit der hydrostatischen Maschine zum Antreiben und Starten des Verbrennungsmotors zu verbinden. Elektrische Starter für Verbrennungsmotoren, vor allem für größere Verbrennungsmotoren, die in den beschriebenen Antriebssystemen mit Energierückgewinnung häufig verwendet werden, brauchen sehr viel elektrische Energie und sind aufgrund der großen benötigten Leistung des Elektromotors sehr groß und teuer in der Anschaffung. Deshalb ist es vorteilhaft, den Verbrennungsmotor mit einem hydraulischen Starter bestehend aus einem Hydrospeicher und einer hydrostatischen Maschine zu starten. Da der Hydrospeicher zum Starten des Verbrennungsmotors immer voll sein muss, ist es nachteilig, diesen Hydrospeicher gleichzeitig zur Energierückgewinnung beim Bremsen zu benutzen, da beim Beschleunigen oder sonstiger Energieverbrauchs der Hydrospeicher immer wieder geleert wird. Durch einen separaten zweiten Hydrospeicher kann dieser immer im vollen Zustand gehalten werden, um nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors ein neues Starten des Verbrennungsmotors zu garantieren. Dies ist insbesondere auch für eine Start-/Stopp-Automatik oder für ein Wechseln des Antriebssystems von einem bloßen hydrostatischen Antrieb mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor in einen Antrieb mit eingeschaltetem Verbrennungsmotor während des Fahrbetriebs von Vorteil, da es in solchen Systemen zu einem spontanen Ausschalten des Verbrennungsmotors kommt. Der zweite Hydrospeicher kann genau auf die Funktion des Startens des Verbrennungsmotors ausgelegt sein, während der erste Hydrospeicher für die restlichen Funktionen, wie z. B. Bremsenergierückgewinnung z. B. im Fahrbetrieb oder der Arbeitshydraulik, ausgelegt ist.
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Ein solches hydraulisches Startsystem eines Verbrennungsmotors mit einem separaten Hydrospeicher kann weiterhin verbessert werden, indem ein Elektromotor und eine von dem Elektromotor angetriebene zusätzliche hydrostatische Pumpe darin integriert wird, die mit der Hochdruckseite mit dem zweiten Hydrospeicher verbindbar ist. Die Steuervorrichtung ist mit dem Elektromotor verbunden und geeignet, den Elektromotor vor oder während der Verbindung des zweiten Hydrospeichers mit der hydrostatischen Maschine anzutreiben. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Starten mit der Druckenergie des zweiten Hydrospeichers fehlschlagen sollte, um den zweiten Hydrospeicher für einen zweiten Startvorgang neu aufzuladen oder direkt die hydrostatische Maschine durch die zusätzliche Pumpe mit Druckmittel zu versorgen. Hierfür kann der Elektromotor wesentlich kleiner ausgeführt sein, als in einem rein elektrischen Starter. Der Hydrospeicher kann aber auch kleiner ausgeführt sein als nötig, um den Verbrennungsmotor alleine zu starten. Die restliche Energie zum Starten könnte in einem solchen Ausführungsbeispiel von dem Elektromotor kommen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, dass zur Erfassung des Drucks des ersten Hydrospeichers ein mit der Steuervorrichtung verbundener erster Drucksensor und zur Erfassung des Drucks des zweiten Hydrospeichers ein mit der Steuervorrichtung verbundener zweiter Drucksensor vorgesehen ist. Die Steuervorrichtung ist dabei so ausgelegt, dass zuerst der zweite Hydrospeicher von der hydrostatischen Maschine gefüllt wird, bis die Messwerte des zweiten Drucksensors einen vollen zweiten Hydrospeicher anzeigen, und erst darauffolgend der erste Hydrospeicher mit dem Druckmittel gefüllt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der zweite Hydrospeicher für seine Funktion immer gefüllt ist. Dies ist insbesondere in Verbindung mit dem beschriebenen Startsystem des Verbrennungsmotors vorteilhaft, da sofort nach dem Starten des Verbrennungsmotors der zweite Hydrospeicher wieder gefüllt wird und damit für den nächsten Start des Verbrennungsmotors bereit ist.
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Es ist vorteilhaft, dass das Antriebssystem eine primäre Antriebsmaschine, ein Schaltgetriebe und ein Umlaufgetriebe aufweist, wobei die Antriebsmaschine mit einem ersten Element des Umlaufgetriebes, die hydrostatische Maschine mit einem zweiten Element des Umlaufgetriebes und das Schaltgetriebe mit einem dritten Element des Umlaufgetriebes verbindbar oder verbunden sind. Dadurch lässt sich ein Schaltsystem mit Energierückgewinnung realisieren, wobei der zweite Hydrospeicher auf die Energierückgewinnung des Schaltsystems ausgelegt werden kann und zum Beispiel zum Hochschalten zunächst leer ist, um beim Hochschalten die Antriebsmaschine auf eine Zieldrehzahl abzubremsen, dabei den zweiten Hydrospeicher zu füllen und diese Bremsenergie zu speichern.
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Es ist in einem zuvor beschriebenen Antriebssystem mit primärer Antriebsmaschine und Schaltgetriebe weiterhin vorteilhaft, dass das Antriebssystem einen mit der Steuervorrichtung verbundenen Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensor aufweist und die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass während eines Aufladevorgangs des zweiten Hydrospeichers beim Anfahren eine Beschleunigung gemessen wird, und wenn diese niedriger als ein Schwellwert ist, die hydrostatische Maschine von dem zweiten Hydrospeicher getrennt wird und mit dem ersten Hydrospeicher verbunden wird.
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Es ist von Vorteil, dass das Antriebssystem so gesteuert wird, dass beim Anfahren des Antriebssystems ein Verlauf eines Ladevorgangs des zweiten Hydrospeichers erfasst wird und wenn ein bestimmter Verlauf des Ladevorgangs gemessen wird, der zweite Hydrospeicher von der hydrostatischen Maschine getrennt und der erste Hydrospeicher mit der hydrostatischen Maschine verbunden wird. Dadurch lassen sich Energieverluste beim Laden eines vollen Hydrospeichers verhindern. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, dass, wenn der erste Hydrospeicher über einen festgelegten Schwellwert gefüllt wurde, das Antriebssystem über den ersten Hydrospeicher und die hydrostatische Maschine angetrieben wird. Dadurch kann eine primäre Antriebsquelle zwischenzeitlich abgeschaltet werden oder zumindest lastfrei laufen, um z. B. Kraftstoff zu sparen. Gleichzeitig wird die gespeicherte Energie für den Antrieb verwendet und der erste Hydrospeicher und eventuell auch der zweite Hydrospeicher wieder geleert, um wieder Bremsenergie speichern zu können. Da die Geschwindigkeit in dem später beschriebenen Antriebssystem beim Anfahren direkt mit dem Ladevorgang des zweiten Hydrospeichers gekoppelt ist, beinhaltet die Messung eines Ladevorgangs auch die Messung der Geschwindigkeit.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, das beschriebene Antriebssystem so zu steuern, dass die hydrostatische Maschine beim Wechsel des Übersetzungsverhältnisses in dem Schaltgetriebe mit dem zweiten Hydrospeicher verbunden wird. Im Einzelnen weist die Steuerung des Wechsels des Übersetzungsverhältnisses die folgenden Schritte auf: Die hydrostatische Maschine wird mit dem Schaltgetriebe drehfest verbunden. Eine Last wird von der Antriebsmaschine durch das Schaltgetriebe getrennt, z. B. durch Herausnehmen einer eingelegten Gangstufe. Eine Eingangswelle des Schaltgetriebes dreht nun frei und wird durch die hydrostatische Maschine durch Verbinden des zweiten Hydrospeichers mit der hydrostatischen Maschine auf die Eingangsdrehzahl des Schaltgetriebes bei dem Zielübersetzungsverhältnis abgebremst oder beschleunigt. Dadurch wird Bremsenergie in dem zweiten Hydrospeicher gespeichert bzw. beim Herunterschalten die Antriebsmaschine auf die Drehzahl mit der gespeicherten Energie des zweiten Hydrospeichers beschleunigt. Danach wird die Last durch das Schaltgetriebe mit dem Zielübersetzungsverhältnis wieder mit der Antriebsmaschine verbunden. Dadurch wird beim Hochschalten die in dem zweiten Hydrospeicher gespeicherte Energie zum weiteren Beschleunigen abgegeben bzw. der zweite Hydrospeicher beim Herunterschalten durch evtl. weiteres Bremsen wieder gefüllt.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, den Verbrennungsmotor durch Verbinden der hydrostatischen Maschine mit dem zweiten Hydrospeicher anzutreiben und zu starten.
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Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit separaten Ventilen für den ersten und den zweiten Hydrospeicher,
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2 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Steuerung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems beim Starten des Verbrennungsmotors;
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3 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Steuerung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems beim Laden der Hydrospeicher;
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4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einem 3/3-Wegeventil als Ventilvorrichtung;
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5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Steuerung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems beim Anfahren des Antriebssystems;
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6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Steuerung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems langsamen Fahren im ersten Fahrbereich; und
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7 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Steuerung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems beim Hochschalten des Antriebssystems.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Das Antriebssystem 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 als primäre Antriebsquelle auf, der über eine Steuerleitung 34 mit einer Steuervorrichtung 10 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 10 steuert dabei den Verbrennungsmotor 2, z. B. durch Steuern der Brennstoffeinspritzung, etc. Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einem Nebenabtrieb 5 verbunden, der wiederum über eine Kupplung 3 mit einer verstellbaren hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden ist. Eine Verstellvorrichtung der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 ist über eine Steuerverbindung 11 ebenfalls mit der Steuervorrichtung 10 verbunden, welche das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 einstellt. Die hydrostatische Kolbenmaschine 4 kann dabei als durch den Nebenabtrieb 5 angetriebene Pumpe oder als den Nebenabtrieb 5 antreibender Motor betrieben werden. Durch Öffnen der Kupplung 3 oder durch Einstellen eines Verdrängungsvolumens Null der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 kann der Nebenabtrieb 5 von der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 abgekoppelt oder wenigstens momentefrei gestellt werden. Die hydrostatische Kolbenmaschine 4 ist auf einer Niederdruckseite 6 mit einem Tank 7 und auf der Hochdruckseite 8 mit einer Arbeitsleitung 9 verbunden.
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Eine Arbeitsleitung 9 verbindet die hydrostatische Kolbenmaschine 4 auf der Hochdruckseite mit einer Ventilvorrichtung 12, welche einen ersten Hydrospeicher 13 und einen zweiten Hydrospeicher 14 mit der Arbeitsleitung 9 bzw. der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbinden kann. Dazu weist die Ventilvorrichtung 12 ein erstes Ventil 15 zum Verbinden des ersten Hydrospeichers 13 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 und ein zweites Ventil 16 zum Verbinden des zweiten Hydrospeichers 14 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 auf.
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Das erste Ventil 15 ist als 3/3-Wegeventil ausgeführt. Der erste Eingang ist dabei mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4, der zweite Eingang mit dem ersten Hydrospeicher 13 und der dritte Eingang mit einer Arbeitshydraulik 17 verbunden. In einer ersten Stellung des ersten Ventils 15 werden dabei der erste und zweite Eingang miteinander verbunden, in einer zweiten, mittleren Stellung, die die Neutralstellung des Ventils bildet, werden der erste und dritte Eingang verbunden und in einer dritten Stellung werden der zweite und dritte Eingang verbunden. Außerdem sind in dieser dritten Stellung der zweite und dritte Eingang über ein zu diesen hin öffnendes Rückschlagventil mit dem ersten Eingang verbunden. Die Stellung des ersten Ventils 15 wird über zwei entgegengesetzt angeordnete Elektromagneten 18 und 19 gesteuert, welche über die Steuerleitungen 20 und 21 mit der Steuervorrichtung 10 verbunden sind. Die Steuervorrichtung 10 steuert die Stellung des ersten Ventils 15 in der Ventilvorrichtung 12. Die Arbeitshydraulik 17 ist über ein drittes Ventil 22 mit der Ventilvorrichtung 12 verbunden. Das dritte Ventil 22 ist als einseitig gesteuertes 2/2-Wegeventil ausgeführt, wobei die Ansteuerung durch einen Elektromagneten 23 realisiert ist, welcher von der Steuervorrichtung 10 über die Steuerleitung 24 bestromt wird. Das dritte Ventil 22 ist dabei so vorgespannt, dass bei einem stromlosen Elektromagneten 23, die Arbeitshydraulik 17 von dem dritten Eingang des ersten Ventils 15 getrennt ist.
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Das zweite Ventil 16 ist als einseitig gesteuertes vorgespanntes 2/2-Wegeventil ausgeführt, wobei die Steuerung durch einen weiteren Elektromagneten 25 realisiert ist, welcher von der Steuervorrichtung 10 über eine Steuerleitung 26 angesteuert wird. Das zweite Ventil 16 ist dabei so vorgespannt, dass bei einem stromlosen Elektromagneten 25 der zweite Hydrospeicher 14 von der Hochdruckseite der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 getrennt ist.
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Der erste und der zweite Hydrospeicher 13 und 14 weisen jeweils einen Drucksensor 27 bzw. 28 auf. Die Messwerte der Drucksensoren 27 und 28 werden über jeweils eine Steuerleitung 29 und 30 an die Steuervorrichtung 10 gegeben. Die Sensoren 27 und 28 sind jeweils geeignet, Druck in den Hydrospeichern 13 und 14 zu messen und so den Füllzustand des ersten und zweiten Hydrospeichers 13 und 14 zu bestimmen. In der Steuervorrichtung 10 ist z. B. jeweils eine Tabelle für jeden Hydrospeicher 13 und 14 mit dem zu den gemessenen Druckwerten zugehörigen Füllständen des jeweiligen Hydrospeichers 13 und 14 hinterlegt.
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Das Antriebssystem 1 weist weiterhin eine Starthilfsschaltung mit einem Elektromotor 31 und einer Konstantpumpe 32 auf. Der Elektromotor 31 ist über eine Steuerleitung 33 mit der Steuervorrichtung 10 verbunden, welche den Elektromotor 31 ansteuert. Der Elektromotor 31 treibt im Betrieb die Konstantpumpe 32 an, welche Druckmittel in die Arbeitsleitung 9 fördert. Dazu ist die Hochdruckseite der Konstantpumpe 32 mit der Arbeitsleitung 9 verbunden, welche mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 und der Ventilvorrichtung 12 verbunden ist.
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Im Folgenden soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 beschrieben werden. Beim Bremsen des Antriebssystems 1 wird frei werdende kinetische Energie des von dem Verbrennungsmotor 2 angetriebenen Fahrzeugs über den Antriebsstrang und mittels des Nebenabtriebs 5 und der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 in hydrostatische Druckenergie umgewandelt. Diese hydrostatische Druckenergie kann in dem ersten und dem zweiten Speicher 13 und 14 gespeichert werden. Dadurch kann die freiwerdende Bremsenergie des Antriebssystems temporär gespeichert werden und bei Bedarf den beiden Hydrospeichern 13 und 14 wieder entnommen werden. Wird die freiwerdende Bremsenergie zur Aufladung des ersten und des zweiten Hydrospeichers 13 und 14 verwendet, so befindet sich die hydrostatische Kolbenmaschine 4 in einem Pumpbetrieb. Über die Ventilvorrichtung 12, gesteuert durch die Steuervorrichtung 10, kann individuell eingestellt werden, ob der erste Hydrospeicher 13 oder der zweite Hydrospeicher 14 aufgeladen wird. Diese Entscheidung wird in der Steuervorrichtung 10 entsprechend den Ladezuständen des ersten Hydrospeichers 13 und des zweiten Hydrospeichers 14, welche durch den Drucksensor 27 und den Drucksensor 28 erfasst werden, entschieden.
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Die Energie des zweiten Hydrospeichers 14 ist zum Starten des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen. Deshalb wird in dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 das Aufladen des zweiten Hydrospeichers 14 priorisiert gegenüber dem Aufladen des ersten Hydrospeichers 13. Dazu wird der Proportionalmagnet 25 bestromt und das Ventil 16 in eine verbindende Position gebracht. Dadurch kann die durch die hydrostatische Kolbenmaschine 4 umgewandelte Bremsenergie in dem zweiten Hydrospeicher 14 gespeichert werden. Ist der zweite Hydrospeicher 14 voll aufgeladen oder zumindest voll genug für wenigstens einen Startvorgang, wird das zweite Ventil 16 wieder in den trennenden Zustand zurückgeschaltet. Sollte der Bremsvorgang immer noch anhalten, kann die weiterhin freiwerdende Energie in den ersten Hydrospeicher 13 geleitet werden. Dazu wird das erste Ventil 15 in seine erste Stellung gebracht, welche den ersten Hydrospeicher 13 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbindet.
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Die Größe und die Druckwerte des zweiten Hydrospeichers 14 werden entsprechend der Funktion des Startens des Verbrennungsmotors 2 gewählt. Der erste Hydrospeicher 13 kann für eine Vielzahl von Funktionen verwendet werden. Er sollte deshalb in seiner Größe so ausgestattet sein, dass er möglichst viel Bremsenergie zwischenspeichern kann, um sie für eine dieser Funktionen wiederzuverwenden. Sollte der erste Hydrospeicher 13 trotzdem einmal voll werden, z. B. bei längeren Bergabfahrten, so wird der erste Hydrospeicher 13 ebenfalls von der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 getrennt und die hydrostatische Kolbenmaschine 4 auf Fördervolumen Null gestellt. Das Ventil 15 wird in die dritte Stellung gebracht, so dass in dem ersten Hydrospeicher 13 zwischengespeicherte Energie nicht aufgrund von Leckage über die Kolbenmaschine 4 verloren geht. Die Erfassung der Füllzustände des ersten und des zweiten Hydrospeichers 13 und 14, das Freiwerden von Bremsenergie und der Bedarf an Energie für die Arbeitshydraulik 17 wird generell durch die Steuervorrichtung 10 erfasst. Entsprechend dieser Daten schaltet die Steuervorrichtung 10 die Ventile 15, 16 und 22.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern des Antriebssystems 1 beim Starten des Verbrennungsmotors 2. Die Steuerungsschritte werden alle von der Steuervorrichtung 10 ausgeführt, die so ausgelegt ist, dass sie die einzelnen Schritte ausführen kann, wobei auch mehrere Einzelsteuergeräte zu der Steuervorrichtung 10 zusammenwirken können. Die Ventile 15 und 16 sind in einem Ausgangszustand so geschaltet, dass kein Hydrospeicher 13 oder 14 mit der Arbeitsleitung 9 und damit mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden ist, was der jeweiligen Neutralstellung entspricht. Erhält die Steuervorrichtung 10 ein Kommando zum Starten des Verbrennungsmotors 2, werden zuerst die Startvorbereitungen getroffen. In einem ersten und zweiten Schritt S1 und S2 werden der Verbrennungsmotor 2 und die dann als Hydromotor arbeitende hydrostatische Kolbenmaschine 4 für das Starten vorbereitet. Im Falle eines Dieselmotors als Verbrennungsmotor 2 handelt es sich in Schritt S1 zum Beispiel um das Vorglühen, oder das Vorfördern des Brennstoffs. Die als Motor arbeitende hydrostatische Kolbenmaschine 4 wird auf ein maximales Schluckvolumen gestellt bzw. steht drucklos bereits auf maximalem Schluckvolumen, um ein maximales Drehmoment auf den Nebenabtrieb 5 übertragen zu können. In Schritt S3 wird die Kupplung 3 geschlossen, um den Nebenabtrieb 5 drehfest mit dem Abtrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 zu verbinden. Die Schritte S1 bis S3 können auch gleichzeitig oder in vertauschter Reihenfolge ausgeführt werden.
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In einem vierten Schritt S4 wird geprüft, ob der zweite Hydrospeicher 14 voll oder nahezu voll ist. Voll oder gefüllt bedeutet dabei, dass der erste oder zweite Hydrospeicher 13 oder 14 keine weitere Druckenergie mehr speichern kann oder zumindest ausreichend gefüllt ist, um den Startvorgang sicherzustellen. Dazu wird der Druck in dem zweiten Hydrospeicher 14 gemessen und mit einer zu dem Hydrospeicher 14 gehörigen Drucktabelle in der Steuervorrichtung 10 abgeglichen, um den Füllzustand des zweiten Hydrospeichers 14 zu erfassen. Liegt der Füllzustand über einem Schwellwert, der einen vollen zweiten Hydrospeicher 14 anzeigt oder alternativ der zum Starten des Verbrennungsmotors 2 nötig ist, so wird direkt zu Schritt S9 übergegangen. Liegt der Füllzustand unter diesem Schwellwert, so wird in Schritt S5 der Elektromotor 31 gestartet. Der Elektromotor 31 treibt dabei eine Konstantpumpe 32 an, welche Druckmittel in die Arbeitsleitung 9 fördert. Gleichzeitig oder kurz darauf wird in Schritt S6 die Arbeitsleitung 9 durch Schalten des Ventils 16 mit dem zweiten Hydrospeicher 14 verbunden und damit der zweite Hydrospeicher 14 durch die Konstantpumpe 32 gefüllt. Die Konstantpumpe 32 muss dabei so ausgelegt sein, dass sie mindestens gegen den Druck fördern kann, der bei dem Schwellwert in dem zweiten Hydrospeicher 14 anliegt. Der zweite Hydrospeicher 14 wird nun solange geladen, bis in Schritt S7 festgestellt wird, dass der zweite Hydrospeicher 14 voll ist, bzw. der mit dem Sensor 28 gemessene Druck den Schwellwert erreicht, der nötig ist, um den Verbrennungsmotor 2 zu starten. Daraufhin wird in Schritt S8 der Elektromotor 31 ausgeschaltet und zu Schritt S9 übergegangen. Während des Ladens des zweiten Hydrospeichers 14 durch die Konstantpumpe 32 ist vorzugsweise die hydrostatische Kolbenmaschine 4 auf Hubvolumen null gestellt.
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In Schritt S9 wird überprüft, ob ein hydrostatischer Starter bestehend aus dem zweiten Hydrospeicher 14 und der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 genug Energie erzeugen kann, um den Verbrennungsmotor 2 zu starten. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt S10 der Hilfsmotor 31 zugeschaltet, um mittels der Konstantpumpe 32 einen zusätzlichen Druckmittelfluss zu erzeugen. Danach wird zu Schritt S11 übergegangen.
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Ergibt Schritt S9, dass genug Energie erzeugt werden kann, wird in Schritt S11 der zweite Hydrospeicher 14 über das Ventil 16 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden. Der Druck des zweiten Hydrospeichers 14 und eventuell der Druck der Konstantpumpe 32 treiben nun die hydrostatische Kolbenmaschine 4 an, welcher den Verbrennungsmotor 2 über den Nebenabtrieb 5 antreibt bis dieser startet und von selbst läuft. Danach wird der zweite Hydrospeicher 14 wieder von der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 getrennt und, falls der Elektromotor 31 angeschalten ist, auch dieser abgeschalten.
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Während des beschriebenen Startvorgangs des Verbrennungsmotors ist der erste Hydrospeicher 13 von der Arbeitsleitung 9 getrennt. Das erste Ventil 15 befindet sich in der dritten Stellung und falls die Arbeitshydraulik nicht verwendet wird, befindet sich das dritte Ventil 22 aufgrund des Federvorspannung in der getrennten Stellung.
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3 zeigt den Ladevorgang der beiden Hydrospeicher 13 und 14. In Schritt S20 wird geprüft, ob Bremsenenergie in dem Antriebssystem 1 erzeugt wird. Diese Bremsenergie kann über den Nebenabtrieb 5 und die hydrostatische Kolbenmaschine 4 in hydrostatische Energie umgewandelt werden, um den ersten und/oder den zweiten Hydrospeicher 13 und/oder 14 aufzuladen. Wird in Schritt S20 keine frei werdende kinetische Energie, also kein Bremsvorgang, erkannt, so wird der Ladevorgang beendet.
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Wird in Schritt S20 festgestellt, dass frei werdende Energie gespeichert werden könnte, wird in Schritt S21 wie beschrieben, der Füllstand des zweiten Hydrospeichers 14 gemessen. Liegt der Füllstand des zweiten Hydrospeichers 14 über einem Schwellwert, der das Starten des Verbrennungsmotors 2 ermöglicht oder der einen vollen zweiten Hydrospeicher 14 darstellt, so wird zu Schritt S25 gegangen. Andernfalls, wenn also der zweite Hydrospeicher 14 nicht voll ist, wird der zweite Hydrospeicher 14 in Schritt S22 über das Ventil 16 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden. In Schritt S23 wird so lange der Füllzustand des zweiten Hydrospeichers 14 gemessen, bis dieser den Schwellwert erreicht. Ist der zweite Hydrospeicher 14 voll, so wird in Schritt S24 der zweite Hydrospeicher 14 von der Arbeitsleitung 9 getrennt und das Steuerverfahren verfährt weiter mit Schritt S25.
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In Schritt S25 wird wie im Zusammenhang mit dem zweiten Hydrospeicher 14 beschrieben der Füllstand des ersten Hydrospeichers 13 gemessen. Liegt der Füllstand des ersten Hydrospeichers 13 über einem Schwellwert, der einen vollen ersten Hydrospeicher 13 darstellt, so wird der Ladevorgang beendet. Andernfalls, falls der erste Hydrospeicher 13 noch nicht voll ist, wird in Schritt S26 der erste Hydrospeicher 13 über das erste Ventil 15 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 verbunden. In Schritt S27 wird so lange der Füllzustand des ersten Hydrospeichers 13 gemessen und mit einem Schwellwert verglichen, bis dieser voll ist. Ist der erste Hydrospeicher 13 voll, so wird in Schritt S28 der erste Hydrospeicher 13 von dem Druckmittellieferant getrennt und der Ladevorgang ist beendet. Der Druckmittellieferant ist in dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel die hydrostatische Kolbenmaschine 4. Steht bei vollen Speichern 13, 14 weiterhin frei werdende Bremsenergie zur Verfügung, wird das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 auf Null verstellt. Sollte während des beschriebenen Ladevorgangs festgestellt werden, dass keine Druckenergie mehr erzeugt wird, der Bremsvorgang also abgeschlossen ist, werden durch Ansteuerung der Ventilvorrichtung 12 der erste oder der zweite Hydrospeicher 13 oder 14 von der Arbeitsleitung 9 getrennt. Durch den beschriebenen Ladevorgang wird sichergestellt, dass sofort nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors 2 beim nächsten Bremsvorgang zuerst der zweite Hydrospeicher 14 wieder gefüllt wird, um beim nächsten Abstellen des Verbrennungsmotors 2 diesen ohne den Elektromotor 31 starten zu können. Ist der zweite Hydrospeicher 14 wieder gefüllt, kann der erste Hydrospeicher 13 geladen werden. Der zweite Hydrospeicher 14 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nur zum Starten des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen.
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Der erste Hydrospeicher 13 wird für alle weiteren Funktionen verwendet. Soll die gespeicherte Druckenergie des ersten Hydrospeichers 13 an die Arbeitshydraulik abgegeben werden, so wird das erste Ventil 15 in die dritte Stellung und das dritte Ventil 22 in die verbundene Stellung geschaltet. Sollte der erste Hydrospeicher 13 leer sein oder nicht genügend Druck aufbringen, um die Arbeitshydraulik 17 zu bedienen, wird das erste Ventil 15 in die zweite Stellung gebracht, um die Arbeitshydraulik 17 über die hydrostatische Kolbenmaschine 4 durch den Verbrennungsmotor 2 anzutreiben. Dabei wird die hydrostatische Kolbenmaschine 4 auf eine durch die gewünschte Geschwindigkeit eines oder mehrerer Verbraucher der Arbeitshydraulik bestimmte Fördermenge eingestellt. Der Druck ergibt sich durch die von den hydraulischen Verbrauchern zu bewegende Last und/oder durch Drosselung des strömenden Druckmittels. Die Druckenergie des ersten Hydrospeichers 13 kann auch über die hydrostatische Kolbenmaschine 4 an den Verbrennungsmotor 2 abgegeben werden, um den Verbrennungsmotor 2 mit Drehmoment zu unterstützen oder den Antrieb ohne den Verbrennungsmotor 2 anzutreiben. Dazu wird das erste Ventil 15 in die erste Ventilstellung geschaltet.
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Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit Energierückgewinnung beschrieben. 4 zeigt ein Antriebssystem 35 mit einem hydrostatischen Antriebsteil, einer primären Antriebsmaschine 36, z. B. einem Verbrennungsmotor, und einem Schaltgetriebe 37. Der hydrostatische Antriebsteil, die Antriebsmaschine 36 und das Schaltgetriebe 37 sind über ein Umlaufgetriebe 38 verbindbar. Die Antriebsmaschine 36 treibt im Betrieb eine Antriebswelle 39 an, welche drehfest mit einem Hohlrad 40 des Umlaufgetriebes 38 verbunden ist. Der hydrostatische Antriebsteil weist eine verstellbare hydrostatische Kolbenmaschine 41 als hydrostatische Maschine auf. Die hydrostatische Kolbenmaschine 41 treibt als Hydromotor arbeitend eine Welle 42 an oder wird als Hydropumpe von der Welle 42 angetrieben. Die Welle 42 ist drehfest mit einem Zahnrad 43 verbunden. Das Zahnrad 43 greift in einen ersten äußeren Zahnkranz 44 einer Kupplungsglocke 45 einer Lamellenkupplung ein. Der erste äußere Zahnkranz 44 ist in einem ersten Abstand von der Achse an einem ersten Ende der Kupplungsglocke 45 angebracht. Ein zweiter äußerer Zahnkranz 46 als Sonnenrad des Umlaufgetriebes ist ebenfalls mit der Kupplungsglocke 45 verbunden. Planetenräder 47 sind zwischen dem inneren Zahnkranz des Hohlrads 40 und dem zweiten äußeren Zahnkranz 46 des Sonnenrads angeordnet und greifen in die beiden Zahnkränze kraftschlüssig ein. Die Planetenräder 47 sind jeweils drehbar auf einer Achse 48 gelagert, wobei die Achsen 48 über einen Planetenträger 49 drehfest mit der Antriebswelle 50 des Schaltgetriebes 37 verbunden sind. Die Antriebswelle 50 verläuft dabei auf der Längsachse von Kupplungsglocke 45 und Sonnenrad durch diese hindurch. Die Kupplungsglocke 45 ist über Kupplungslamellen in geschlossenem oder verbundenem Zustand mit der Antriebswelle 50 drehfest verbunden. Bei geschlossener Kupplung drehen sich die Planetenräder 47 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit um die Antriebswelle 50 wie die Kupplungsglocke 45, drehen sich aber nicht auf den Achsen 48. Das Hohlrad 40 ist dabei ein erstes Element, das Sonnenrad ein zweites Element und die Planetenräder 47 ein drittes Element des Umlaufgetriebes 38. Der hydrostatische Antriebsteil, die Antriebsmaschine 36 und das Schaltgetriebe 37 müssen dabei nicht genau so wie beschrieben mit den drei Elementen des Umlaufgetriebes 51 verbunden sein, sondern können auch in allen anderen Kombinationen mit den drei Elementen des Umlaufgetriebes 51 verbunden sein ohne vom Grundgedanken abzuweichen.
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Das Schaltgetriebe 37 übersetzt stufenweise das Drehmoment und die Drehzahl der Antriebswelle 50 zu einer nicht gezeigten Abtriebswelle, welche mit einer Last, wie zum Beispiel dem Rad eines Fahrantriebs, verbunden ist. Das Schaltgetriebe 37 weist zumindest eine erste und eine zweite Übersetzungsstufe auf, wobei das Übersetzungsverhältnis der ersten Übersetzungsstufe höher als das der zweiten Übersetzungsstufe ist. In dem Schaltgetriebe 37 kann somit zumindest ein erster Gang, ein zweiter Gang und ein Leerlauf eingelegt werden. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf ein Schaltgetriebe 27 mit zwei Gängen, sondern kann auf Schaltgetriebe mit größerer Anzahl von Gängen angewandt werden. Das Schaltgetriebe 37 wird von einer Steuervorrichtung 52 über die Steuerleitung 53 angesteuert. Die Steuervorrichtung 52 steuert über die Steuerleitung 54 ebenfalls die Kupplung 51. Hierzu werden durch die Steuervorrichtung 52 nicht dargestellte Betätigungselemente mit Steuersignalen beaufschlagt.
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Der hydrostatische Antriebsteil ist über die hydrostatische Kolbenmaschine 41 mit dem restlichen vorzugsweise mechanischen Antrieb verbunden. Die Art der Kopplung kann über das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 eingestellt werden. Dazu ist der Verstellvorrichtung zur Verstellung des Verdrängungsvolumens über die Steuerleitung 55 mit der Steuervorrichtung 52 verbunden. Wird das Verdrängungsvolumen auf Null eingestellt, ist der hydrostatische Antriebsteil von dem mechanischen entkoppelt. Die hydrostatische Kolbenmaschine 41 ist sowohl als Motor als auch als Pumpe betreibbar. Die hydrostatische Kolbenmaschine 41 ist auf ihrer Niederdruckseite 56 mit einem Druckmitteltank 57 verbunden, aus dem im Pumpbetrieb Druckmittel gefördert werden kann oder in den im Motorbetrieb Druckmittel zurückgefördert werden kann. Die hydrostatische Kolbenmaschine 41 ist auf ihrer Hochdruckseite 58 mit einer Arbeitsleitung 59 verbunden.
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Die Arbeitsleitung 59 verbindet ein 3/3-Wegeventil 60 als Ventilvorrichtung und die Hochdruckseite 58 der hydrostatischen Kolbenmaschine 41. Das Ventil 60 ist an einem ersten Eingang mit einem ersten Hydrospeicher 61, an einem zweiten Eingang mit einem zweiten Hydrospeicher 62 und an einem dritten Eingang mit der Arbeitsleitung 59 verbunden. In einer ersten Stellung wird der erste mit dem dritten Eingang verbunden, in einer zweiten Stellung wird der zweite mit dem dritten Eingang verbunden und in einer dritten mittigen Stellung, der Neutralstellung, sind alle Eingänge getrennt. Das heißt, in der ersten und zweiten Stellung wird entsprechend der erste oder der zweite Hydrospeicher 61 und 62 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden und in der dritten Stellung sind beide Hydrospeicher 61 und 62 von der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 getrennt. Eine gleichzeitige Verbindung beider Hydrospeicher 61, 62 ist so ausgeschlossen. Das Ventil 60 wird durch zwei entgegengesetzt gerichtete Elektromagneten 63 und 64 betätigt, wobei die Elektromagneten 63 und 64 durch die Steuervorrichtung 52 über die Steuerleitungen 65 und 66 gesteuert werden. Die Drücke der Hydrospeicher 61 und 62 werden über die Drucksensoren 67 und 68 über die Steuerleitungen 69 und 70 an die Steuervorrichtung 52 weitergegeben. Der Füllzustand wird dabei wie in Zusammenhang mit dem zweiten Hydrospeicher 14 des Antriebssystems 1 beschrieben gemessen.
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Der erste Hydrospeicher 61 hat ein größeres Volumen als der zweite Hydrospeicher 62. Während der kleinere, zweite Speicher 62 nur zum Anfahren und Hochschalten ausgelegt ist und nur 2 l bis 4 l Druckmittel aufnehmen kann, ist der erste Hydrospeicher 61 für alle restlichen Funktionen vor allem Energierückgewinnung aus der Bremsenergie des Fahrantriebs ausgelegt und umfasst 30 l bis 100 l. Das Druckniveau des zweiten Hydrospeichers 62 ist genau auf die Bedürfnisse des Anfahrens und Hochschaltens ausgelegt.
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Die Arbeitsleitung 59 ist mit einer Sicherheitsleitung 71 verbunden, welche zu einem federvorgespannten Rückschlagventil 72 führt. Das Rückschlagventil 72 ist so vorgespannt, dass es in Richtung des Tanks 57 öffnet, wenn in der Arbeitsleitung 59 ein Druck anliegt, der höher als ein maximaler Druck des ersten oder des zweiten Hydrospeichers 61 oder 62 ist. Dadurch wird eine Beschädigung der Hydrospeicher 61 und 62 oder der Arbeitsleitung 59 beim Aufladen verhindert, wenn ein voller Hydrospeicher 61 oder 62 nicht schnell genug durch das Ventil 60 von der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 getrennt wird oder das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 nicht schnell genug auf Null gestellt wird. Dies ist eine zusätzlich Sicherung zu den üblichen Speichersicherungsblöcken. Zudem ermöglicht es auch bei gefülltem ersten Speicher 61 weiter hydraulisch zu bremsen. Zwischen dem Rückschlagventil 72 und dem Tank 57 ist noch ein Kühler 73 vorgesehen, um das an dem Druckabfall des Rückschlagventils 72 erwärmte Druckmittel zu kühlen bevor es zurück in den Tank 57 fließt.
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5, 6 und 7 zeigen Steuerverfahren für das Antriebssystem 35. Die Steuervorrichtung 52 ist dabei geeignet, das Antriebssystem 35 wie folgt zu steuern: Beim Bremsen wird das Ventil 60 zunächst in die erste Stellung gebracht, so dass der erste Hydrospeicher 61 mit der beim Bremsen als Pumpe arbeitenden hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden ist. Das Fördervolumen der Hydropumpe 41 wird dabei entsprechend der gewünschten Bremsstärke eingestellt. Nur wenn der Widerstand des ersten Hydrospeichers 61 bei maximalem Fördervolumen zum Bremsen nicht ausreicht, wird zusätzlich mechanisch gebremst. Die Kupplung 51 bleibt dabei bis zum Stillstand des Fahrzeugs geschlossen, um das Fahrzeug bis zum Stillstand durch die Hydropumpe 41 abzubremsen und um die durch die Hydropumpe 41 durch die Bremsenergie erzeugte Druckenergie in dem ersten Hydrospeicher 61 zu speichern. Bei Erreichen des Stillstands wird die Kupplung 51 geöffnet, das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 auf Null geschwenkt und der erste Hydrospeicher 61 wieder von der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 getrennt. Man könnte das Fahrzeug aus dem ersten Hydrospeicher 61 über die hydrostatischen Kolbenmaschine 41 nur hydrostatisch anfahren, allerdings würde dann die Antriebsmaschine 36 immer mitgeschleppt werden. Deshalb wird erfindungsgemäß durch die Antriebsmaschine 36 angefahren, wobei dabei freiwerdende Energie in dem zweiten Hydrospeicher 62 zwischengespeichert wird und später mittels des ersten Hydrospeichers 61 beschleunigt wird, wie es nachfolgend noch beschrieben wird.
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5 zeigt ein Steuerverfahren zum Anfahren des Antriebssystems 35. Im Stillstand ist die Kupplung 51 offen und das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 auf Null eingestellt. Die Antriebsmaschine 35 treibt das Hohlrad 40 in eine erste Richtung an. Da die Planetenräder 47 über das Schaltgetriebe 37 mit einer Last verbunden sind und das Sonnenrad aufgrund der offenen Kupplung und der leer durchdrehenden hydrostatischen Kolbenmaschine 41 lastfrei sind, bleiben die Planetenräder 47 stehen und die Drehung des Sonnenrads wird über die Rotation der Planetenräder 47 um die Achse 48 auf das Sonnenrad bzw. den Hohlzylinder 45 übertragen. Die Kupplungsglocke 45 dreht sich also mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie das Hohlrad 40, aber in die entgegengesetzte Richtung. Um das Fahrzeug zu beschleunigen, muss das Sonnenrad 45 abgebremst werden.
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Dazu wird in Schritt S31 der leere zweite Hydrospeicher 62 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden. Hierzu wird das Ventil 60 in die zweite Stellung gebracht. Darauffolgend wird in Schritt S32 das Verdrängungsvolumen der nun als Pumpe arbeitenden hydrostatischen Kolbenmaschine 41 entsprechend der gewünschten Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit erhöht, um das Sonnenrad 45 abzubremsen. Die Bremsenergie wird durch die Hydropumpe 41 in Druckenergie umgewandelt und in dem zweiten Hydrospeicher 62 gespeichert. Soll das Fahrzeug weiter beschleunigt werden, wird das Verdrängungsvolumen weiter vergrößert bis das Sonnenrad 45 stillsteht. Vom Stillstand des Fahrzeugs bis zum Stillstand des Hohlzylinders 45 wird im Folgenden vom ersten Fahrbereich gesprochen. In dem ersten Fahrbereich wird Energie, um den Hohlzylinder abzubremsen, in dem zweiten Hydrospeicher 62 gespeichert.
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Zum weiteren Beschleunigen des Fahrzeugs muss der Hohlzylinder 45 in die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die vorherige Drehrichtung beschleunigt werden. Dazu wird das Verdrängungsvolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 weiter vergrößert. Die hydrostatische Kolbenmaschine 41 arbeitet nun als Motor, angetrieben von der gespeicherten Druckenergie des zweiten Hydrospeichers 62. Das Verdrängungsvolumen des Hydromotors 41 wird weiter vergrößert bis die Planetenräder 47 und der Hohlzylinder 45 synchron laufen und die Planetenräder 47 sich nicht mehr in sich um die Achse 48 drehen. Dies wird in Schritt S33 solange getestet, bis die Drehzahl des Hohlzylinders 45 und der Planetenräder 47 um die Welle 50 gleich ist. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird in Schritt S34 die Kupplung 51 drehzahlsynchron geschlossen und die Planetenräder 47 und das Sonnenrad 45 des Umlaufgetriebes 38 drehfest miteinander verbunden. Dadurch wird die Welle 42 der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 drehfest mit der Antriebswelle 50 des Schaltgetriebes 37 verbunden. Der Fahrbereich zwischen dem Stillstand des Hohlzylindes 45 und der Drehung des Hohlzylinders 45 mit der Geschwindigkeit der Planetenräder wird als zweiter Fahrbereich bezeichnet. In dem zweiten Fahrbereich wird die gespeicherte Druckenergie des zweiten Hydrospeichers 62 wieder freigegeben, um das Fahrzeug weiter zu beschleunigen.
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Der Fahrbereich mit geschlossener Kupplung 51 wird als dritter Fahrbereich bezeichnet. In dem dritten Fahrbereich wird zum Beschleunigen und Antreiben des Fahrzeugs der erste vom Bremsen voll gefüllte Hydrospeicher 61 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden.
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Sollte das Fahrzeug aufgrund von stockendem Verkehr oder aus sonstigen Gründen für längere Zeit in dem ersten Fahrbereich fahren, so ist der kleinere zweite Hydrospeicher 62 schnell überfüllt. Deshalb wird in 6 ein Verfahren zum Steuern des Antriebssystems 35 in einem Kriechmodus beschrieben. In einem ersten Schritt S41 wird geprüft, ob das Antriebssystem 35 sich in dem ersten Fahrbereich befindet. Sollte dies nicht der Fall sein, wird das Steuerverfahren beendet bzw. in regelmäßigen Abständen wieder von vorne gestartet. Befindet sich das Antriebssystem 35 in dem ersten Fahrbereich, so wird in Schritt S42 die Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs gemessen. In Schritt S43 wird geprüft, ob die Geschwindigkeitsänderung kleiner als ein erster Schwellwert ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Steuerverfahren beendet, andernfalls wird in Schritt S44 der zweite Hydrospeicher 62 von der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 getrennt und in Schritt S45 der erste Hydrospeicher 61 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden. Der erste Hydrospeicher 61 wird in dem ersten Fahrbereich solange geladen, bis in Schritt S46 und S47 ein Füllstand gemessen wird, der größer als ein zweiter Schwellwert ist. Der zweite Schwellwert repräsentiert im bevorzugten Ausführungsbeispiel einen halb vollen Füllzustand. Ist der erste Hydrospeicher 61 halb voll, so wird in Schritt S48 auf einen rein hydrostatischen Antrieb umgeschaltet. Dazu wird die Antriebsmaschine 36 abgeschaltet, die Kupplung 51 geschlossen und das Schaltgetriebe 37 durch die aus dem ersten Hydrospeicher 61 gespeiste hydrostatische Kolbenmaschine 41 angetrieben. Dadurch entleert sich der erste Hydrospeicher 61 wieder. In den Schritten S49 und S50 wird in regelmäßigen Abständen der Füllstand des ersten Hydrospeichers 61 gemessen und wenn dieser unter einen dritten Schwellwert fällt, der vorzugsweise einem leeren ersten Hydrospeicher 61 entspricht, wird wieder auf den konventionellen Antrieb umgeschaltet. Das heißt, dass die Antriebsmaschine 36 wieder angeschaltet wird, die Kupplung 51 wieder geöffnet wird und wie zuvor beschrieben im ersten Fahrbereich gefahren wird. Das Steuerverfahren zum Kriechen ist damit beendet. Es wird aber in regelmäßigen Abständen überprüft, welche Fahrsituation vorliegt, so dass bei länger andauernden Fahrten im ersten Fahrbereich wechselweise zwischen einem rein hydrostatischen Fahren und einem konventionellen Fahren geschaltet wird. Sollte während des Steuerverfahrens zum Kriechen in einen anderen Fahrbereich als den ersten gewechselt werden, so wird das Steuerverfahren unterbrochen und wie zuvor beschrieben angefahren.
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Das erfindungsgemäße Steuerverfahren ist dabei nicht auf die Bedingung beschränkt, dass die Geschwindigkeitsänderung kleiner als ein erster Schwellwert ist. Vielmehr kann jede Bedingung angewandt werden, welche den Ladezustand des zweiten Hydrospeichers 62 bestimmen oder vorhersagen kann. Dazu eignen sich der Füllzustand des zweiten Hydrospeichers 62, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, das Kontrollsignal des Antriebssystems 35 oder Kombinationen aus diesen Merkmalen oder deren zeitliche Verläufe.
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7 zeigt ein Steuerverfahren zum Wechsel eines Übersetzungsverhältnisses in dem Schaltgetriebe 37 des Antriebssystems 35. In dem ersten, dem zweiten und am Anfang des dritten Fahrbereichs wird in einem ersten Gang gefahren. Wird nun von dem ersten in den zweiten Gang hochgeschaltet, so wird in einem ersten Schritt S61 der erste Gang des Schaltgetriebes 37 herausgenommen und das Schaltgetriebe 37 in den Leerlauf geschaltet. Das heißt, die Antriebswelle 50 ist von der Abtriebswelle des Schaltgetriebes 37 entkoppelt. Die Abtriebswelle des Schaltgetriebes 37 dreht sich aufgrund der verbundenen Last weiterhin mit der gleichen Drehzahl, die in Schritt S62 von der Steuervorrichtung 52 durch einen in 4 nicht gezeigten Sensor erfasst wird. Das Übersetzungsverhältnis der Zielgangstufe, hier des zweiten Ganges, ist in der Steuervorrichtung 52 gespeichert und wird zur Berechnung einer Zielantriebsdrehzahl der Antriebswelle 50 des Schaltgetriebes 37 verwendet. Mittels der gemessenen Abtriebsdrehzahl und des Übersetzungsverhältnisses des zweiten Gangs wird in Schritt S63 die Zielantriebsdrehzahl berechnet. Findet der Gangwechsel immer bei der gleichen Drehzahl statt, so kann die Zielantriebsdrehzahl bereits in der Steuervorrichtung 52 gespeichert werden und das Messen der aktuellen Abtriebsdrehzahl ist nicht nötig. In Schritt S64 wird der leere zweite Hydrospeicher 62 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden und das Verdrängungsvolumen der hydrostatische Kolbenmaschine 41 entsprechend des Bremsvorgangs der Antriebswelle 50 eingestellt. Dadurch bremst die als Pumpe arbeitende hydrostatische Kolbenmaschine 41 die Antriebswelle 50 auf die Zielantriebsdrehzahl ab und füllt den zweiten Hydrospeicher 62. In Schritt S65 wird dazu ständig die Antriebsdrehzahl der Antriebswelle 50 gemessen, bis diese der Zielantriebsdrehzahl entspricht. Daraufhin wird in Schritt S66 der zweite Gang des Schaltgetriebes 37 eingelegt. Die in dem zweiten Hydrospeicher 62 zwischengespeicherte Energie kann nun wieder zum Beschleunigen oder Antreiben des Antriebssystems 35 verwendet werden. Ist der zweite Hydrospeicher 62 wieder geleert, so wird er von der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 getrennt. Die Kupplung 51 bleibt während des Schaltvorgangs geschlossen.
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Ein ähnliches Verfahren kann auch zum Herunterschalten, z. B. von dem zweiten in den ersten Gang erfolgen. Dazu wird der zweite Hydrospeicher 62 nach dem Herausnehmen des zweiten Gangs mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden, um die Antriebswelle 50 auf die Zielantriebsdrehzahl zu beschleunigen. Ist die Zielantriebsdrehzahl erreicht, so kann der erste Gang eingelegt werden. Dazu muss nur der zweite Hydrospeicher 62 genügend Druckenergie speichern, um die Antriebswelle 50 auf die Zielantriebsdrehzahl zu beschleunigen. Bei nur zwei Gängen könnte dies zum Beispiel durch das Unterlassen der Abgabe der gewonnen Energie beim Hochschalten erreicht werden, das heißt, dass der zweite Hydrospeicher 62 direkt nach dem Einlegen des zweiten Gangs von der hydrostatischen Maschine 41 getrennt wird. Bei einem festen Schaltpunkt oder Schaltbereich könnte beim Abbremsen in der Nähe dieses Punkts oder Bereichs der zweite Hydrospeicher 62 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 41 verbunden werden, um den zweiten Hydrospeicher 62 für das Herunterschalten zu füllen.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf nur zwei Funktionen. Jeder Hydrospeicher 13, 61 und 14, 62 kann für mehrere Funktionen verwendet werden, für die er ausgelegt ist. Die Erfindung kann auch auf eine Vielzahl an Hydrospeichern für eine Vielzahl an Funktionen erweitert werden.
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Das Schließen oder Trennen oder das Öffnen einer Verbindung von einem Hydrospeicher 13, 14, 61 oder 62 mit einer Axialkolbenmaschine 4 oder 41 bedeutet, dass die Steuervorrichtung 10 oder 52 an die Ventilvorrichtung ein Steuersignal sendet, welches die Ventilvorrichtung 60 oder die in der Ventilvorrichtung 12 enthaltenen Ventile 15 und 16 in eine Stellung versetzt, welche eine genannte Verbindung oder Trennung ermöglicht. Eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ist nicht auf die beschriebenen Ventilvorrichtungen 12 und 60 beschränkt, sondern kann eine Vielzahl von Ausführungen aufweisen. Eine Ventilvorrichtung muss dabei zumindest einen ersten Hydrospeicher 13 oder 61 oder einen zweiten Hydrospeicher 14 oder 62 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 4 oder 41 verbinden können. Zusätzlich könnte eine Ventilvorrichtung auch den ersten und zweiten Hydrospeicher 13, 61 und 14, 62 miteinander verbinden, um Druckenergie auszutauschen. Der erste und/oder der zweite Hydrospeicher 13, 61 und/oder 14, 62 kann/können auch mit weiteren hydraulischen Verbrauchern oder Versorgern verbunden werden, um aufgeladen oder entladen zu werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebssysteme 1 und 35 vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058003 A1 [0003]
