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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Antrieb mit zwei Hydromotoren, von denen eine Abtriebswelle gemeinsam antreibbar ist.
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In hydraulischen Antriebssträngen treiben Hydromotoren diverse mechanische Verbraucher, zum Beispiel Fahrzeugräder, an. In diesen Systemen ist der Hydromotor auf die zu erwartende Eckleistung ausgelegt. Die Hydromotoren werden oft nur im Teillastbereich betrieben, in dem der Wirkungsgrad gegenüber dem Volllastbereich verringert ist. Es ist deshalb gemäß der
US 7,356,992 B2 schon vorgeschlagen worden, eine Triebwelle von zwei Hydromotoren antreiben zu lassen, wobei der ein verstellbarer Hydromotor über einen Freilauf mit der Triebwelle verbunden ist. Wenn der verstellbare Hydromotor nicht benötigt wird, wird er auf ein Schluckvolumen null gestellt und bleibt wegen des Freilaufs stehen.
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Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, einen einfachen hydrostatischen Antrieb zu schaffen, der mit einem hohen Wirkungsgrad betreibbar und variabel einsetzbar ist.
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Dieses Ziel wird mit einem hydrostatischen Antrieb erreicht, der zwei Hydromotoren aufweist, von denen eine Abtriebswelle gemeinsam antreibbar ist, wobei der erste Hydromotor ein in seinem Hubvolumen verstellbarer Hydromotor und der zweite Hydromotor ein hinsichtlich seines Hubvolumens nicht verstellbarer Konstanthydromotor und für den Antrieb der Abtriebswelle zuschaltbar ist. In einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb wird also der verstellbare Hydromotor als ständige Antriebsmaschine genutzt, während der Konstanthydromotor nur bei erhöhtem gefordertem Drehmoment eingesetzt wird. Dies ermöglicht die Verwendung der des hydrostatischen Antriebs mit zwei Hydromotoren nicht nur in Systemen mit eingeprägtem Volumenstrom, sondern auch in sogenannten sekundärgeregelten Systemen, bei denen ein sich durchaus auch ändernder Druck vorgegeben ist. Dies kann zum Beispiel der Fall sein in Hybridfahrzeugen, bei denen ein Verbrennungsmotor in einem optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden und Bremsenergie zurückgewonnen werden soll und dazu ein Hydrospeicher an eine Versorgungsleitung für die Hydromotoren angeschlossen ist.
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Bei einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb ist ein hoher Wirkungsgrad möglich, da der Konstantmotor im optimalen Betriebsbereich betrieben wird. Gegenüber Lösungen mit zwei Verstellmotoren entfallen diverse Stellteile und Ventile und der notwendige Bauraum ist vermindert. Das Regelungskonzept wird einfacher, da nur ein Hydrostat überwacht und geregelt werden muss. Kosten, Gewicht und Ausfallrisiko sind vermindert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs kann man den Unteransprüchen entnehmen.
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So sind die beiden Hydromotoren bevorzugt in beide Drehrichtungen der Abtriebswelle als Motoren betreibbar, so dass auf einfache Weise eine Vorwärts- und eine Rückwärtsfahrt möglich ist.
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Vorteilhafterweise sind die beiden Hydromotoren in beide Drehrichtungen auch als Hydropumpen betreibbar, so dass Bremsenergie zurückgewonnen werden kann. Pumpenbetrieb und Motorbetrieb in beide Drehrichtungen, sogenannter 4-Quadrantenbetrieb, ist bei einem verstellbaren Hydrostaten ohne Vertauschen von Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss in einem offenen hydraulischen Kreislauf möglich, wenn der Hydrostat über eine Nulllage, in der er weder Druckmittel fördert noch Druckmittel schluckt, verstellbar ist. Hydrostat oder Hydromaschine sind dabei ein Oberbegriff für Hydropumpe und Hydromotor. Bei einem Hydrostaten, der nicht über die Nulllage verstellbar ist, oder bei einem Hydrostaten von Konstantbauart wird eine Ventilanordnung vorgesehen, mit der je nach Quadrant jeweils einer der zwei Anschlüsse des Hydrostaten mit einer Hochdruckleitung und der jeweils andere mit einer Niederdruckleitung oder Tankleitung verbunden wird. Im Betrieb der Hydromaschinen als Pumpen wird die Abtriebswelle zur Antriebswelle. Man kann deshalb allgemein auch den Begriff Triebwelle verwenden.
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Der Konstantmotor wird üblicherweise nur kurzzeitig für eine hohe Eckleistung des gesamten hydrostatischen Antriebssystems benötigt, zum Beispiel beim Anfahren am Berg oder beim Hochfahren an einem Bordstein. Wenn der Konstantmotor nicht benötigt wird, so kann er als Hydropumpe verwendet werden. Bevorzugt ist dafür eine Ventilanordnung vorhanden, über die der zweite Hydromotor im Betrieb als Hydromotor aus einem ersten hydraulischen Kreislauf mit Druckmittel versorgt wird und im Betrieb als Hydropumpe Druckmittel in einen zweiten hydraulischen Kreislauf fördert. Als Pumpe kann der Konstantmotor für ein drittes Druckniveau im System sorgen oder zur Kühlung und Filterung des Druckmittels verwendet werden.
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Bevorzugt ist der zweite Hydromotor über eine schaltbare Kupplung mit der Abtriebswelle verbindbar und von der Abtriebswelle lösbar. Er kann also völlig vom Antriebsstrang getrennt werden. Denkbar ist es auch, eine Ventilanordnung vorzusehen ist, über die die beiden Anschlüsse des zweiten Hydromotors fluidisch miteinander verbindbar sind. Wenn er nicht benötigt wird, ist der zweite Hydromotor dann also kurzgeschlossen.
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Das maximale Hubvolumen des ersten Hydromotors kann kleiner, gleich oder größer als das Hubvolumen des zweiten Hydromotors sein. Es ist zu erwarten, dass bei gleichen Hubvolumina der beiden Hydromotoren eine Reihe von gleichen Teilen für den verstellbaren und den konstanten Hydromotor verwendet werden können.
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Unter Hubvolumen wird dabei das Verdrängungsvolumen (Pumpenbetrieb) oder das Schluckvolumen (Motorbetrieb) pro Umdrehung einer Triebwelle der Hydromaschine verstanden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 das Schaltbild des Ausführungsbeispiels,
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2 ein Diagramm des erzeugbaren Drehmoments über einen Verstellweg des ersten Hydromotors, wenn dessen maximales Hubvolumen kleiner ist als das Hubvolumen des zweiten Hydromotors, und
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3 ein Diagramm des erzeugbaren Drehmoments über einen Verstellweg des ersten Hydromotors, wenn dessen maximales Hubvolumen größer ist als das Hubvolumen des zweiten Hydromotors.
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Gemäß 1 ist eine Abtriebswelle 10 gemeinsam von einem ersten Hydrostaten 11 und von einem zweiten Hydrostaten 12 antreibbar, wenn die beiden Hydrostaten, die zum Beispiel als Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise ausgebildet sind, als Hydromotoren arbeiten. Die Hydromaschine 11 ist eine in ihrem Hubvolumen verstellbare Hydromaschine und hat einen Hochdruckanschluss 13 und einen Niederdruckanschluss 14. Und zwar ist das Hubvolumen von einem maximalen positiven Hubvolumen über ein Hubvolumen null (Nulllage) bis zu einem maximalen negativen Hubvolumen verstellbar. Dies ermöglicht es, die Hydromaschine 11 ohne Vertauschen von Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss in beide Drehrichtungen sowohl als Hydromotor als auch als Hydropumpe, also in einem 4-Quadrantenbetrieb mit positivem Drehmoment und positiver Drehrichtung, mit positivem Drehmoment und negativer Drehrichtung, mit negativem Drehmoment und positiver Drehrichtung und mit negativem Drehmoment und negativer Drehrichtung zu betreiben. Der Hochdruckanschluss 13 ist dauernd mit einer Hochdruckleitung 15, der Niederdruckanschluss 14 dauernd mit einer Tankleitung 16 verbunden
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Die Hydromaschine 12 ist eine Hydromaschine mit einem konstanten Hubvolumen und ist in jeder Drehrichtung als Hydropumpe und als Hydromotor, also ebenfalls in einem 4-Quadrantenbetrieb betreibbar. Dazu ist sie mit zwei hochdrucktauglichen Anschlüssen 17 und 18 versehen, von denen jeder über ein Ventil 20, das als Wegeventil mit vier Anschlüssen, von denen ein Anschluss mit dem Anschluss 17 der Hydromaschine 12, ein Anschluss mit dem Anschluss 18 der Hydromaschine, ein Anschluss mit der Tankleitung 16 und der vierte Anschluss mit einem weiteren Wegeventil 22 verbunden ist, mit der Versorgungsleitung 15 und mit der Tankleitung 16 verbunden werden kann. Das Wegeventil 20 hat drei Schlafstellungen. In einer federzentrierten Mittelstellung des Wegeventils 20 sind beide Anschlüsse 17 und 18 mit Tank verbunden. In der Mittelstellung des Wegeventils 20 ist die Hydromaschine 12 also kurzgeschlossen und schon deshalb unwirksam. Das Wegeventil 20 ist direkt oder vorgesteuert mit Hilfe zweier Elektromagnete betätigbar. In der einen Arbeitsstellung ist der Anschluss 17 der Hydromaschine 12 der Hochdruckanschluss und der Anschluss 18 der Tankanschluss, in der zweiten Arbeitsstellung des Wegeventils 20 ist der Anschluss 17 der Tankanschluss und der Anschluss 18 der Hochdruckanschluss.
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Das weitere Wegeventil 22 ist als Wegeventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen ausgebildet. Es verbindet den vierten Anschluss des Wegeventils 20 in der einen Schaltstellung mit der Hochdruckleitung 15 und in der anderen Schaltstellung mit einer Leitung 23. Wird die Hydromaschine nicht für den Antrieb der Abtriebswelle 10 benötigt, so kann man sie dazu benutzen, dass sie im Pumpenbetrieb in die Leitung 23 fördert, um zum Beispiel für ein drittes Druckniveau im System zu sorgen oder einen Kreislauf zum Kühlen oder Filtern des Druckmittels zu speisen.
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Wird die Hydromaschine 12 in einer Betriebssituation weder als Hydromotor noch als Hydropumpe benötigt, so kann sie, wie schon erwähnt, unwirksam geschaltet werden, indem man das Wegeventil 20 seine Mittelstellung einnehmen lässt, in der beide Anschlüsse 17 und 18 miteinander und mit Tank verbunden sind.
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Gemäß 1 ist zwischen die Triebwelle der Hydromaschine 12 und die Triebwelle der Hydromaschine 11 und damit die Antriebswelle 10 noch eine schaltbare Kupplung 25 eingefügt. Ist die Kupplung offen, kann kein Moment von der Hydromaschine 12 auf die Antriebswelle 10 oder umgekehrt übertragen werden. Die Hydromaschine steht dann still. Anstelle eines Kurzschlusses der beiden Anschlüsse 17 und 18 könnte dann auch ein bloßes Absperren dieser beiden Anschüsse genügen. Es muss kein Schleppmoment und ein durch Planschverluste verursachtes Moment für die Hydromaschine 12 aufgebracht werden. Bei geschlossener Kupplung können beide Hydromaschinen als Hydromotoren gemeinsam die Abtriebswelle 10 antreiben oder beide Hydromaschinen als Hydropumpen zum Beispiel in einem Bremsbetrieb eines Fahrzeugs von der Abtriebswelle angetrieben werden. Bei geschlossener Kupplung kann außerdem die Hydromaschine 11 als Hydromotor die dann als Pumpe arbeitende Hydromaschine 12 antreiben.
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Das maximale Hubvolumen der Hydromaschine 11 kann je nach den miteinander kombinierten Maschinen gleich dem oder kleiner oder größer als das Hubvolumen der Hydromaschine 12 sein.
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Für den Fall, dass das maximale Hubvolumen kleiner ist, zeigt das Diagramm gemäß 2, wie die beiden Maschinen gesteuert werden, um bei einem bestimmten Versorgungsdruck ein immer größer werdendes Moment an der Abtriebswelle 10 zu erzeugen. In dem Diagramm ist die Abszisse eine Zeitachse, während auf der Ordinate das Drehmoment aufgetragen ist.
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Zunächst ist die Hydromaschine 12 kurzgeschlossen. Die Kupplung 25 ist offen. Das Drehmoment steigt linear mit zunehmendem Hubvolumen der Hydromaschine 11 an. Ist deren maximales Hubvolumen erreicht, wird die Hydromaschine 12 zugeschaltet. Da deren Hubvolumen größer ist als das maximale Hubvolumen der Hydromaschine 11, wird diese über die Nulllage zu einem negativen Hubvolumen und von dort wieder kontinuierlich in Richtung maximales positives Hubvolumen verstellt. Bis zum Erreichen der Nulllage arbeitet die Hydromaschine 11 als Pumpe.
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Für den Fall, dass das maximale Hubvolumen der Hydromaschine 11 größer ist als das Hubvolumen der Hydromaschine 12, zeigt das Diagramm gemäß 3, wie die beiden Maschinen gesteuert werden, um bei einem bestimmten Versorgungsdruck ein immer größer werdendes Moment an der Abtriebswelle 10 zu erzeugen. In dem Diagramm gemäß 3 ist wiederum die Abszisse eine Zeitachse, während auf der Ordinate das Drehmoment aufgetragen ist.
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Zunächst ist die Hydromaschine 12 kurzgeschlossen. Die Kupplung 25 ist offen. Das Drehmoment steigt linear mit zunehmendem Hubvolumen der Hydromaschine 11 an. Ist deren maximales Hubvolumen erreicht, wird die Hydromaschine 12 zugeschaltet. Da deren Hubvolumen kleiner ist als das maximale Hubvolumen der Hydromaschine 11, wird diese nicht über die Nulllage, sondern nur zu einem kleineren positiven Hubvolumen zurückgestellt und von dort wieder kontinuierlich in Richtung maximales positives Hubvolumen verstellt. Beide Maschinen 11 und 12 arbeiten im betrachteten Fall immer als Motoren.
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In den 2 und 3 sind die Funktion Gesamtmoment über die Zeit als durchgehende Linie, die Funktion Moment erzeugt durch die Hydromaschine 11 als gestichelte Linie und die Funktion Moment erzeugt durch die Hydromaschine 12 als strichpunktierte Linie dargestellt.
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Geoffenbart ist also ein hydrostatischer Antrieb, bei dem unter normalen Betriebsbedingungen das Moment zur Fahrt von einer verstellbaren Hydromaschine aufgebracht wird. Mit dieser kann schnell und sehr flexibel auf sich ändernde Fahrbedingungen reagiert werden. Eine Hydromaschine mit konstantem Hubvolumen wird zugeschaltet, wenn ein einer Antriebswelle ein erhöhtes Drehmoment benötigt wird, zum Beispiel beim Überfahren eines Bordsteins aus dem Stand oder beim Anfahren am Berg.
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Die Erfindung ist insbesondere auch in sogenannten Hybridfahrzeugen, zum Beispiel in einem Personenkraftwagen, mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsstrang inklusive Hydropumpe, Hydrospeicher und den zwei Hydromotoren zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Achse einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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