-
Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Bei hydrostatischen Getrieben mit zwei Radial- oder Kolbenmaschinen, die jeweils mehrere Zylinder-Kolben-Einheiten aufweisen, gibt es zur Einstellung von Druck oder Volumenstrom bzw. Drehmoment oder Drehzahl verschiedene Ansätze.
-
So sind neben den herkömmlichen Verstellmaschinen mit einstellbarem Kolbenhub auch ventilgesteuerte Verdrängereinheiten (Digital-Displacement-Einheiten) bekannt, bei denen der Druckmittelstrom jedes Zylinders über zwei Ventile gesteuert wird, von denen eines eine Verbindung zur Hochdruckseite und das andere eine Verbindung zur Niederdruckseite steuert.
-
In der Druckschrift
WO 2008/012558 A2 ist ein hydrostatisches Getriebe mit zwei ventilgesteuerten Verdrängereinheiten gezeigt, das zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Antriebsrad eines Fahrzeugs angeordnet ist. Dabei kann am Rad auftretende Bremsenergie über die als Pumpe wirkende Sekundäreinheit in eine Druckerhöhung in einem Hochdruckspeicher umgewandelt werden. Diese Energie kann später zur Antrieb des Rades genutzt werden. Dabei sind die Zylinder der beiden Verdrängereinheiten über die beiden Ventile getrennt im Pumpenmodus, Motormodus und in einem kraftlosen so genannten Idle-Modus ansteuerbar. Durch ein Deaktivieren einzelner Zylinder bzw. Betrieb im Idle-Modus können Druck oder Volumenstrom bzw. Drehmoment oder Drehzahl der Verdrängereinheiten reduziert werden.
-
Die Druckschrift
EP 0 494 236 B1 zeigt ein vergleichbares hydraulisches Getriebe mit zwei ventilgesteuerten Verdrängereinheiten, bei dem konstruktive Details insbesondere zu den Ventilen dargestellt sind.
-
Nachteilig an derartigen hydrostatischen Getrieben sind die bei deaktivierten Zylinder-Kolben-Einheiten auftretende Pulsation bzw. Druckstöße und Geräusche, insbesondere wenn weniger als drei oder nicht gleichmäßig am Umfang der Einheit verteilte Zylindern aktiv sind.
-
Zur weiteren Reduzierung von Förder- bzw. Schluckvolumen bei vertretbarer Pulsation und Geräuschentwicklung schlägt die Druckschrift
WO 2004/025122 A1 einen so genannten „partial” Modus der aktiven Zylinder vor. Dabei werden deren Absperrventile nicht beim Durchlaufen der Totpunkte der Verdrängereinheit geschaltet, sondern zu einem späteren Zeitpunkt. Dadurch kann das Förder- bzw. Schluckvolumen stufenlos von einem Maximalwert auf 0 verstellt werden. Über eine Steuereinheit wird die Verdrängereinheit nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) bzw. Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt häufig nach einer Phasenanschnittssteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
-
Nachteilig an hydrostatischen Getrieben mit derartigen ventilgesteuerten Verdrängereinheiten (Digital-Displacement-Einheiten) ist, dass der „partial” Modus eine aufwändige Ansteuerung und von den Ventilen schnelle Schaltzeiten bei sehr hoher Genauigkeit erfordert.
-
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein hydrostatisches Getriebe mit zumindest zwei ventilgesteuerten Verdrängereinheiten zu schaffen, das mit geringem technischen Aufwand auch mit sehr geringem Fördervolumenstrom (Pumpe) bzw. Schluckvolumenstrom (Motor) betrieben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein hydrostatisches Getriebe nach Patentanspruch 1.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe hat eine Primäreinheit und eine Sekundäreinheit, die jeweils mehrere einen Druckraum begrenzende Zylinder-Kolben-Einheiten aufweisen. Jeder Zylinder ist über ein HD-Ventil mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung und über ein ND-Ventil mit einer gemeinsamen Niederdruckleitung verbunden. Dabei sind die Hochdruckleitung und die Niederdruckleitung über eine Bypass- bzw. Entlastungsleitung verbunden, die zur Reduzierung der Leistung der Sekundäreinheit aufsteuerbar ist. Dadurch ist ein hydrostatisches Getriebe geschaffen, das mit geringem technischem Aufwand auch mit sehr kleinem Förder- bzw. Schluckvolumenstrom betrieben werden kann, wobei ein Teil des von der Primäreinheit geförderten Druckmittels von der Hochdruckleitung über die Bypass- bzw. Entlastungsleitung an der Sekundäreinheit vorbei zur Niederdruckleitung geleitet wird.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist in der Entlastungsleitung ein elektrisch oder elektrohydraulisch verstellbares Druckbegrenzungsventil angeordnet, durch das der Druck in der Hochdruckleitung begrenzbar ist. Damit kann der Druck in der Hockdruckleitung begrenzt werden ohne dass verstärkte Pulsation und Geräusche entstehen, wobei die resultierende Drehgeschwindigkeit der Sekundäreinheit lastabhängig ist.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Druckbegrenzungsventil hochdynamisch ist. Damit kann eine aktive Pulsations- bzw. Schwingungsdämpfung erreicht werden.
-
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist in der Hochdruckleitung ein Proportional-Stromregelventil, also ein stetig verstellbares Mengenregelventil angeordnet. Ein solches Stromregelventil weist üblicherweise eine Messblende, deren Durchflussquerschnitt stetig veränderbar ist und über die die geregelte Druckmittelmenge der Sekundäreinheit zufließt, und eine Druckwaage auf, deren Regelkolben von dem Druck stromauf der Messblende und in Gegenrichtung von dem Druck stromab der Messblende und einer konstanten Zusatzkraft, die üblicherweise durch eine Feder ausgeübt wird, beaufschlagt wird. Bei einem 3-Wege-Stromregelventil ist der Regelkolben der Druckwaage im Bypass zur Messblende angeordnet und befindet sich in der aufgrund der Federkraft eingenommenen Ruhestellung in Sperrstellung. Ab einer bestimmten über die Messblende fließenden Druckmittelmenge geht der Regelkolben der Druckwaage in eine Regelstellung, so dass die über die Messblende fließende Druckmittelmenge bei gegebenem Durchflussquerschnitt konstant bleibt und die Restmenge über die Druckwaage in die Niederdruckleitung fließt. Damit ist der der Sekundäreinheit zufließende Volumenstrom gegenüber dem von der Primäreinheit geförderten Volumenstrom reduziert. Die resultierende Drehgeschwindigkeit der Sekundäreinheit kann durch Verstellung der Messblende eingestellt werden.
-
Bei einer besonders bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes ist mit der Primäreinheit ein Verbrennungsmotor und mit der Sekundäreinheit ein Fahrzeugantrieb (z. B. ein Rad) verbunden.
-
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind die Primäreinheit und die Sekundäreinheit jeweils Kolbenmaschinen, die als Pumpe und als Motor betrieben werden können. Damit ist die Kraftflussrichtung im hydrostatischen Getriebe (durch entsprechende Steuerung der HD- und ND-Ventile) umkehrbar.
-
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes hat einen über eine Speicherleitung an die Hochdruckleitung angeschlossenen Hochdruckspeicher, wobei in der Speicherleitung ein Absperrventil angeordnet ist. Dadurch ist ein regeneratives Bremsen möglich, bei dem von einem gebremsten Rad über die als Pumpe wirkende Sekundäreinheit Druckmittel in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Dieses Druckmittel kann dafür eingesetzt werden, (über die als Motor betriebene Primäreinheit) den Verbrennungsmotor anzulassen oder (über die als Motor betriebene Sekundäreinheit) das Fahrzeug anzutreiben.
-
Dabei wird es bevorzugt, wenn zum Druckmittelausgleich ein Niederdruckspeicher vorgesehen ist, der über eine Speicherleitung an die Niederdruckleitung angeschlossen ist.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Absperrventil hochdynamisch ist. Damit kann eine aktive Pulsations- beziehungsweise Schwingungsdämpfung erreicht werden.
-
Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.
-
Es zeigen
-
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes und
-
2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes.
-
Das Getriebe nach 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes. Es besteht im Wesentlichen aus einer ersten Kolbenmaschine 1 und aus einer zweiten Kolbenmaschine 2, die zum Beispiel als Radialkolbenmaschinen oder Kolbenmaschinen ausgeführt sind. Beide Kolbenmaschinen sind als so genannte Digital-Displacement-Einheiten ausgeführt. Bei derartigen Maschinen sind, sofern sie als Pumpen und als Motoren betrieben werden sollen, die von den Zylinder-Kolben-Einheiten gebildeten Druckräume jeweils über ein elektromagnetisch gesteuertes Hockdruck-Ventil mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung 12 und ein elektromagnetisch gesteuertes Niederdruck-Ventil mit einer Niederdruckleitung 14 verbindbar. Soll eine Maschine nur als Pumpe arbeiten, so genügt ein Niederdruck-Ventil für jeden Druckraum.
-
Die beiden Hochdruckanschlüsse 4, 6 der Kolbenmaschinen 1, 2 sind über die Hochdruckleitung 12 miteinander verbunden, während die beiden Niederdruckanschlüsse 8, 10 der Kolbenmaschinen 1, 2 über die Niederdruckleitung 14 miteinander verbunden sind.
-
Die erste Kolbenmaschine 1 ist über eine Welle 15 mit einem Fahrzeug-Verbrennungsmotor 16 verbunden, während die zweite Kolbenmaschine 2 über eine Antriebswelle 17 mit einer Achse oder einem Fahrzeug-Rad 18 verbunden ist. Statt der gezeigten Anordnung kann die zweite Kolbenmaschine 2 z. B. auch zwei Räder einer Fahrzeugachse antreiben. Weiter ist es möglich, zwei oder vier zweite Kolbenmaschinen zu verwenden, um verschiedene Räder unabhängig voneinander anzutreiben.
-
Auch ist es möglich, zwischen Verbrennungsmotor und erster Kolbenmaschine 1 sowie zwischen Rad (Rädern) und zweiter(n) Kolbenmaschine(n) 2 eine Getriebestufe einzufügen, um den Übersetzungs- und Drehzahlbereich zu erweitern. Auch der Einbau eines Differentials ist möglich.
-
Über eine Speicherleitung 20 ist ein Hockdruckspeicher 22 an die Hochdruckleitung 12 angeschlossen, wobei in der Speicherleitung 20 ein Absperrventil 24 angeordnet ist. Das Absperrventil 24 ist als 2/2-Wegeventil ausgebildet, wobei in einer federvorgespannten Grundstellung eines Ventilkörpers die Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 12 und dem Hochdruckspeicher 22 abgesperrt ist, während in einer Schaltstellung des Ventilkörpers der Hochdruckspeicher 22 mit der Hochdruckleitung 12 verbunden ist.
-
Weiterhin ist ein Niederdruckspeicher 26 über eine Speicherleitung 28 an die Niederdruckleitung 14 angeschlossen, um vom Hochdruckspeicher abgegebenes Druckmittel aufzunehmen.
-
Erfindungsgemäß ist die Hochdruckleitung 12 mit der Niederdruckleitung 14 über eine Bypass- bzw. Entlastungsleitung 30a, 30b verbunden, in der verstellbares Druckbegrenzungsventil 32 angeordnet ist. Es begrenzt den Druck in der Hochdruckleitung 12, der über eine Steuerleitung in Öffnungsrichtung auf das Druckbegrenzungsventil 32 wirkt, während eine Feder in Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils 32 wirkt. Zur Einstellung das Maximaldrucks des Druckbegrenzungsventils 32 ist ein Proportional-Elektromagnet 34 vorgesehen, dessen Kraft über eine (nicht gezeigte) elektronische Steuereinheit einstellbar ist.
-
Im Folgenden wird die Funktion des hydrostatischen Getriebes gemäß 1 erläutert.
-
Im Normalbetrieb treibt der Verbrennungsmotor 16 die als Pumpe wirkende erste Kolbenmaschine 1 an, die über die Hochdruckleitung 12 die als Motor wirkende zweite Kolbenmaschine 2 mit Druckmittel versorgt. Diese treibt über die Antriebswelle 17 das Rad 18 an.
-
Auf Grund der Ausführung der Kolbenmaschinen 1, 2 als ventilgesteuerte Verstelleinheiten (Digital-Displacement-Einheiten) können einzelne Zylinder-Kolben-Einheiten deaktiviert werden, so dass das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe verminderte Leistung an das Rad 18 überträgt. Dabei ist das Druckbegrenzungsventil 32 geschlossen.
-
Es hat sich gezeigt, dass die dabei zwangsläufig auftretende Pulsation beziehungsweise Druckschwankung bis zu einem Minimalbetrieb von drei gleichmäßig am Umfang der Maschinen 1, 2 verteilten aktiven Zylindern hinnehmbar sind.
-
Zu einer weiteren Reduzierung der im Getriebe gewandelten Leistung (z. B. für eine Schleichfahrt) wird die Kraft des Proportional-Elektromagneten 34 des Druckbegrenzungsventils 32 geändert, so dass das Druckbegrenzungsventils 32 auf einen geringeren Maximaldruck eingestellt wird. Wenn dieser eingestellte Druck unter dem Druck der Hochdruckleitung 12 liegt, öffnet das Druckbegrenzungsventil 32, und der Druck in der Hochdruckleitung 12 sinkt, wodurch das Drehmoment der zweiten Kolbenmaschine 2 abgesenkt wird.
-
Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe ein regenerativer Bremsbetrieb möglich, bei dem das zu bremsende Rad 18 die als Pumpe wirkende zweite Kolbenmaschine 2 antreibt. Auch bei unveränderter Drehrichtung des Rades 18 ist es durch entsprechende Ansteuerung der (nicht gezeigten) HD- und ND-Ventile möglich, das druckerhöhte Druckmittel in die Leitung 12 zu fördern. In diesem Betriebszustand wird das Absperrventil 24 durch Bestromung seines Elektromagneten geöffnet, so dass die zweite Kolbenmaschine 2 Druckmittel in den Hochdruckspeicher 22 fördern kann. Dabei wird die entsprechende Druckmittelmenge aus dem zuvor gefüllten Niederdruckspeicher 26 von der zweiten Kolbenmaschine 2 angesaugt.
-
Am Ende des Bremsvorgangs wird der Elektromagnet des Absperrventils 24 stromlos geschaltet, so dass sich das Absperrventil 24 durch den Federdruck schließt.
-
In einem weiteren Betriebszustand wird nach einer Öffnung des Absperrventils 24 die im Hochdruckspeicher 22 gespeicherte Energie genutzt, um entweder die (als Motor betriebene) erste Kolbenmaschine 1 mit Druckmittel zu versorgen und dadurch den Verbrennungsmotor 16 anzulassen, oder um die (als Motor betriebene) zweite Kolbenmaschine 2 mit Druckmittel zu versorgen, so dass diese das Rad 18 antreiben kann. Letzteres kann mit oder ohne eine zusätzliche Druckmittelförderung durch die vom Verbrennungsmotor 16 angetriebene erste Kolbenmaschine 1 geschehen. Bei diesem Betriebszustand des erfindungsgemäßen hydraulischen Getriebes strömt das entspannte Druckmittel in den Niederdruckspeicher 26.
-
Weiterhin ist es möglich, durch ein schnelles Zuschalten und Wegschalten des Hochdruckspeichers 22 mittels des dann mit kurzen Schaltzeiten ausgeführten Absperrventils 24 aktive Pulsationsdämpfung in der Hochdruckleitung 12 zu betreiben und dadurch ein gleichmäßiges Drehmoment am Rad 18 beziehungsweise an der Kolbenmaschine 2 zu erhalten.
-
2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes. Der wesentliche Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist darin zu sehen, dass die Leistungsreduzierung der zweiten Kolbenmaschine 2 durch ein stetig verstellbares 3-Wege-Stromregelventil 132 statt durch das Druckbegrenzungsventil 32 erreicht wird. Dieses Stromregelventil umfasst eine Messblende 133, die in der zwischen den beiden Kolbenmaschinen verlaufenden Hochdruckleitung 12a angeordnet ist und deren Durchflussquerschnitt durch eine Elektromagneten 134 stetig (proportional) verstellt werden kann. Das Stromregelventil umfasst des Weiteren eine Druckwaage 135, die in einer zwischen der Hochdruckleitung 12a und der Niederdruckleitung 14 verlaufenden Entlastungsleitung 30 eingefügt ist. Ein Regelkolben der Druckwaage wird in Öffnungsrichtung von dem Druck stromauf der Messblende 133, also von dem Druck am Hochdruckanschluss 4 der Kolbenmaschine 1, in Öffnungsrichtung und von dem Druck stromab der Messblende 133, also vom Druck am Hochdruckanschluss 6 der Hydromaschine 2, und von der Kraft einer Feder 136 in Schließrichtung beaufschlagt. Aufgrund dieser Ansteuerung lässt die Druckwaage gerade soviel Druckmittelmenge aus der Hochdruckleitung zur Niederdruckleitung strömen, dass über die Messblende noch eine Druckmittelmenge fließt, die an der Messblende eine Druckdifferenz erzeugt, die dem Druckäquivalent der Feder 136 entspricht.
-
Im Normalbetrieb ist die Messblende 133 ganz offen, so dass der Druckabfall über sie kleiner als das Druckäquivalent der Feder 136 ist und die Druckwaage geschlossen bleibt und die gesamte von der Kolbenmaschine geförderte Druckmittelmenge der Kolbenmaschine 2 zufließt.
-
Für eine Schleichfahrt wird durch Bestromung des Proportional-Elektromagneten 134 der Durchflussquerschnitt der Messblende 134 verkleinert. Der Druckabfall über die Messblende erreicht einen dem Druckäquivalent der Feder 136 entsprechenden Wert, so dass die Druckwaage 135 zu regeln beginnt und ein Teil des Druckmittelvolumenstroms abgezweigt und durch die Entlastungsleitung 30 zur Niederdruckleitung 14 geleitet wird. Durch die Reduzierung der verbleibenden der als Motor betriebenen zweiten Kolbenmaschine 2 zugeführten Druckmittelmenge kann die Drehzahl der zweiten Kolbenmaschine verringert werden, ohne dass die Anzahl der fördernden Kolben der Kolbenmaschine 1 weiter verringert wird. An der zweiten Kolbenmaschine können alle Kolben arbeiten. Der Druck, der sich im Abschnitt 12b der Hochdruckleitung einstellt ist nur von der Last abhängig. Der Druck im Abschnitt 12a der Hochdruckleitung ist um das Druckäquivalent der Feder 136 höher.
-
Beim regenerativen Bremsen wird die Messblende 133 ganz zugemacht, bis der Hochdruckspeicher 22 über das geöffnete Absperrventil 24 komplett befüllt ist. Um das im Hydrospeicher 22 gespeicherte Druckmittel für den Betrieb der Kolbenmaschine 1 als Motor zu nutzen, sollte die Messblende 134 ganz geöffnet sein. Im Übrigen ist bei geöffneter Messblende 134 sowohl allein der Kolbenmaschine 1 als auch allein der Kolbenmaschine 2 mit Druckmittel aus dem Hydrospeicher 22 möglich, da bei nicht angesteuerten HD-Ventilen der Maschine 1 oder 2 diese geschlossen bleiben und die entsprechende Maschine kein Druckmittel schluckt.
-
Offenbart ist ein hydrostatisches Getriebe mit einer Primäreinheit und einer Sekundäreinheit, die jeweils mehrere einen Druckraum begrenzende Zylinder-Kolben-Einheiten aufweisen. Jede Zylinder-Kolben-Einheit ist über ein HD-Ventil mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung und über ein ND-Ventil mit einer gemeinsamen Niederdruckleitung verbunden. Dabei ist zwischen der Hochdruckleitung und der Niederdruckleitung eine Bypass- bzw. Entlastungsleitung angeordnet, die zur Reduzierung der Leistung der Sekundäreinheit aufsteuerbar ist. Dadurch ist ein hydrostatisches Getriebe geschaffen, das mit geringem technischem Aufwand auch mit sehr geringem Druck oder Volumenstrom bzw. Drehmoment oder Drehzahl betrieben werden kann, wobei ein Teil des von der Primäreinheit geförderten Hochdruckmittels über die Bypass- bzw. Entlastungsleitung an der Sekundäreinheit vorbei zur Niederdruckleitung geleitet wird.
-
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
-
- WO 2008/012558 A2 [0004]
- EP 0494236 B1 [0005]
- WO 2004/025122 A1 [0007]
