DE102013011198A1

DE102013011198A1 - Kompensationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013011198A1
Application number: DE201310011198
Authority: DE
Inventors: Winfried Rüb
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Eine Kompensationsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz bei Arbeitsmaschinen, wie Radladern, mit mindestens zwei mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagbaren hydraulischen Verbrauchern (14, 16), die mittels einer Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) mit jeweils einem vorgebbaren Betätigungsdruck ansteuerbar sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) derjenige hydraulische Verbraucher (14, 16) mit der jeweils geringeren Grundlast derart mit einer Zusatzlast beaufschlagt ist, dass die Gesamtlast für diesen hydraulischen Verbraucher (14, 16) in Richtung der höheren Grundlast für den jeweils anderen Verbraucher (14, 16) verschoben ist oder diesen übersteigt oder vorzugsweise gleich zu dieser höheren Grundlast ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz bei Arbeitsmaschinen, wie Radladern, mit mindestens zwei mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagbaren hydraulischen Verbrauchern, die mittels einer Steuereinrichtung mit jeweils einem vorgebbaren Betätigungsdruck ansteuerbar sind.
Bei den hier angesprochenen mobilen Arbeitsmaschinen werden die jeweiligen hydraulischen Verbraucher regelmäßig von einer oder mehreren Druckversorgungseinrichtungen wie Hydropumpen versorgt. Die einzelnen Hydropumpen befüllen dabei zumindest teilweise eine gemeinsame Versorgungsleitung eines hydraulischen Kreises, an den die Hydraulikverbraucher angeschlossen sind. Bei einem sogenannten parallelen Betrieb der Verbraucher, beispielsweise in Form von Hydraulikzylindern oder Hydromotoren, kann es dann in Abhängigkeit der jeweiligen Lastsituation am jeweiligen Verbraucher zu unterschiedlichen Drücken an diesen kommen, insbesondere muss der Pumpendruck und/oder der Pumpenvolumenstrom zur Versorgung des Verbrauchers mit dem höchsten Lastdruck entsprechend hochgesetzt werden, um dessen Funktionssicherheit zu gewährleisten. Der Fluidversorgungsstrom, insbesondere Ölstrom, der insoweit dann zum jeweils niedrig belasteten Verbraucher zu dessen Versorgung führt, muss wegen des für ihn zu hohen Pumpendruckes zusätzlich gedrosselt werden, damit dessen Betätigungsgeschwindigkeit sich nicht ungewollt erhöht oder gar der notwendige hohe Pumpendruck für den lasthöchsten Verbraucher wegen eines Versorgungsmangels zusammenbricht, was die Funktionssicherheit der gesamten Arbeitsmaschine in Frage stellen kann.
Die vorstehend beschriebene Androsselung für den lastniedrigen Verbraucher geht dabei grundsätzlich mit sogenannten Drosselverlusten einher, die insoweit fachsprachlich auch mit Kompensationsverlusten bezeichnet werden. Dabei unterscheidet man bei Kompensationsverlusten nicht, ob das Verlust erzeugende Steuerventil für die Verbraucher ein einfaches Drosselventil oder ein mit einer Druckwaage kompensiertes Ventil ist. Um diesen Kompensationsverlusten in hydraulischen Systemen, die mit einem hohen Verlustpotenzial einhergehen, wirksam begegnen zu können, gibt es im Stand der Technik dem Grunde nach nur zwei Lösungsansätze für Kompensationsvorrichtungen, zum einen, indem man jedem hydraulischen Verbraucher einfach eine eigene Regelpumpe zur Versorgung zuordnet oder, wenn der Verbraucher ein Hydromotor ist, dann kann man mit regelbaren Hydromotoren über das einstellbare Schluckvolumen den Druckbedarf lastabhängig und somit individuell einstellen. Hierfür muss dann das zugeordnete Steuerventil aber auf Veränderungen im Schluckvolumen reagieren können, damit die gewünschte Drehzahl erhalten bleibt. Hieraus ergibt sich wiederum ein deutlich erhöhter Regelaufwand, was sich auch in erhöhten Kosten niederschlägt. Eine Regelung bei Hydraulikzylindern, wie vorstehend für Hydromotoren beschrieben, ist in der Fachwelt nicht bekannt.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen dahingehend weiter zu verbessern, dass Kompensationsverluste vermieden sind bei gleichzeitigem Erreichen einer erhöhten Funktionssicherheit für die gesamte hydraulische Anlage, insbesondere bei einer Arbeitsmaschine, und dass auf einen zusätzlichen kostenintensiven Steuer- oder Regelaufwand für Hydropumpen verzichtet werden kann.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Kompensationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit. Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil mittels der Steuereinrichtung derjenige hydraulische Verbraucher mit der jeweils geringeren Grundlast derart mit einer Zusatzlast beaufschlagt ist, dass die Gesamtlast für diesen hydraulischen Verbraucher in Richtung der höheren Grundlast für den jeweils anderen Verbraucher verschoben ist oder diesen übersteigt oder vorzugsweise gleich zu dieser höheren Grundlast ist, braucht der Ölversorgungsstrom zum niedrig belasteten Verbraucher zum Vermeiden erhöhter Geschwindigkeitsverläufe nicht mehr angedrosselt zu werden, so dass insoweit auch keine Drossel- oder Kompensationsverluste beim genannten Verbraucher entstehen können.
Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dahingehender hydraulischer Versorgungssysteme überraschend, dass er durch das Aufbringen einer künstlichen Zusatzlast für den jeweils niedrig belasteten Verbraucher, ohne Vorsehen zusätzlicher Maßnahmen, wie eines vermehrten Einsatzes von Regelpumpen oder sonstigen Steuer- und Regelmaßnahmen, die vorstehend beschriebenen Kompensations- oder Drosselverluste wirksam vermeiden kann. Da insoweit auch sichergestellt ist, dass auf jeden Fall der lasthöchste Verbraucher weiter mit dem notwendigen hohen Pumpendruck versorgt ist, ist die Funktionssicherheit für die Gesamtvorrichtung erhöht. Des Weiteren lässt sich durch das Beaufschlagen der Grundlast mit der Zusatzlast zwecks Erreichen der höheren Grundlast des lasthöchsten Verbrauchers in sehr kostengünstiger Weise eine dahingehende Kompensationsvorrichtung realisieren.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Steuereinrichtung der Kompensationsvorrichtung mindestens einen Energiespeicher aufweist, der bei Betätigen der jeweiligen hydraulischen Arbeitsgerätschaft in einer Betätigungsrichtung einerseits, vorzugsweise schwerkraftunterstützt, hydraulische Energie abspeichert, und andererseits die beim Betätigen in einer weiteren, lastniederen Betätigungsrichtung die Kompensationsenergie speichert als Zusatzlast zum Heraufsetzen der Gesamtlast für mindestens einen derjenigen Verbraucher, an der die (oder eine) geringere Grundlast angreift. Statt wie bisher den bei der Bewegung eines Hydraulikzylinders jeweils verschobenen Ölvolumenstrom in den Rück- oder Tanklauf des hydraulischen Versorgungskreises zurückzuführen, wird dieses Ölvolumen vorgebbaren Druckes nunmehr in den Energiespeicher, bevorzugt in Form eines Hydraulikspeichers, verschoben, wobei dieser Speicherdruck dann dazu eingesetzt werden kann, auf die jeweils ausschiebende Zylinderfläche des Hydraulikzylinders mit der niedrigeren Last bremsend einzuwirken, um derart dann dessen niedrigeren Lastdruck von der Lastseite her in Richtung der höheren Grundlast des Verbrauchers mit dem lasthöchsten Druck anzuheben. Derart wird dann der gemeinsame Pumpendruck für alle Verbraucher gleichermaßen im Lastbedarfsfall konstant gehalten. Gleichzeitig werden alle lastniederen Verbraucher zusätzlich mit dem Speicherdruck auf einer Kolbenfläche belastet und weiterhin mit der notwendigen Volumenstrommenge verlustfrei versorgt, wobei die Drosselverluste über die jeweilige Ventileinrichtung auf die Höhe der Drosselverluste des lasthöchsten Verbrauchers sinken.
Der jeweils eingesetzte Energie- oder Hydrospeicher, insbesondere in der Art eines Hydraulikspeichers ausgebildet, kann wiederabrufbare Bewegungsenergie abspeichern und im Bedarfsfall wieder abgeben, um Zusatzlasten für den Verbraucher mit der niedrigen Belastung zu generieren oder insgesamt die lasttragenden hydraulischen Verbraucher bei einem Arbeitsvorgang zu unterstützen, indem man die eingespeicherte Energie zurückspeist (rekuperiert). Ferner werden solche Hydrospeicher auch eingesetzt, um als eine Art elastisches Bindeglied zwischen den verschiedenen Arten von hydraulischen Verbrauchern, insbesondere in Form von Arbeitszylindern, eingesetzt zu werden, um beispielsweise unterschiedliche Verschiebevolumina im Ölstrom ausgleichen zu können. Auch kann der Energieoder Hydrospeicher als eine Art Feder-Dämpfungs-System ausgebildet sein, was die Ansteuerung des Arbeitszylinders unter Last erleichtern hilft.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung ist vorgesehen, dass als hydraulischer Verbraucher verschiedenste Arten von Arbeitszylindern zum Einsatz kommen in Form von Kolben-Stangen-Zylindern mit gegenüber der Stangenseite vergrößerter Kolbenfläche und/oder mit mindestens drei voneinander verschiedenen Kolben- und Stangenflächen in der Art eines Differentialzylinders und/oder mit zwei miteinander zusammenwirkenden Kolben in der Art eines Doppelkolbenzylinders. Grundsätzlich gilt für all diese Lösungen, dass, wenn ein Arbeits- oder Hydraulikzylinder in eine Arbeitsstellung geht, automatisch der jeweils angeschlossene Energiespeicher mit einer zusätzlichen Zylinderfläche verbunden wird, deren Kraftrichtung die Arbeitsfläche des Zylinders unterstützen oder zusätzlich belasten kann. Der angesprochene Erfindungsgedanke, die niedrige Last höher bis maximal gleich mit der lasthöchsten zu setzen, kann neben den angesprochenen Mitteln am Verbraucherzylinder selbst auch durch einen mechanisch oder hydraulisch verbundenen, zusätzlichen Hilfszylinder geschehen, indem eine Zusatzfläche mit dem Speicherdruck beaufschlagt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Art:
1 zwei verschiedene Schaufel-Ansteuereinrichtungen für übliche Radlader (nicht dargestellt);
2 bis 7 in der Art von hydraulischen Schaltplänen die maßgebenden Komponenten der Kompensationsvorrichtung in verschiedenen Realisierungsformen; und
8 die möglichen entstehenden Kompensationsverluste, die ein entsprechendes Energiesparpotenzial bilden, am Beispiel eines Radladers mit Hub- und Kippzylindern gemäß der Darstellung nach der 1 im sogenannten Y-Zyklus-Betrieb aufgenommen.
Die 1 zeigt in prinzipieller Funktionsdarstellung sog. Radlader-Kinematiken (vgl. D. Lemser: „Radlader – Eine wichtige Maschine für die Bauwirtschaft, Tiefbau 3/2003"). Je nach mechanischem Aufbau wird der in der Blickrichtung auf die 1 links dargestellte Hub- und Kippkinematikaufbau als Z-Kinematik und die rechts davon dargestellte Kinematik als sog. P-Kinematik bezeichnet. Grundsätzlich weist die jeweilige Kinematik einen Hubrahmen 10 auf sowie eine bewegbare Schaufel 12 zur Lastaufnahme sowie zur Lastabgabe, beispielsweise von üblichem Schüttgut, Bauwerkstoffen und dergleichen mehr.
Bei der Z-Kinematik gemäß der linken Darstellung nach der 1 findet als mechanisches Anlenkelement für einen Kippzylinder 14 eine sog. Kippschwinge 17 Einsatz, wohingegen bei der rechten P-Kinematik-Darstellung der korrespondierend ausgebildete Kippzylinder 14 eine P-förmig ausgestaltete Koppelstangenanordnung 18 betätigt.
Zum Anheben und Absenken des Hubrahmens 10 in Form eines Baggerschaufelarmes dient, in beiden gezeigten Fällen ein Hubzylinder 16. Ferner sind teilweise die Kippzylinder 14 und alle Hubzylinder 16 sowie der jeweilige Hubrahmen 10 gelenkig an einem Maschinenrahmen 19 angelenkt, der Bestandteil einer nicht näher dargestellten Arbeitsmaschine, insbesondere in Form eines Radladers, ist. Alle bewegbaren Gelenkstellen für die Kinematiken sind entsprechend schematisch als Kreise angegeben und als Kippzylinder 14 sowie als Hubzylinder 16 dienen übliche hydraulische Arbeitszylinder in der Art von Kolben-Stangen-Zylindern. Fährt die Kolbenstange des Hubzylinders 16 aus oder ein, wird der Hubrahmen 10 entgegen dem Uhrzeigersinn nach oben angehoben bzw. abgesenkt.
Fährt die Kolbenstange des Arbeitszylinders 14 für die Z-Kinematik in Form der Kippschwinge 17 ein, wird die Schaufel 12 ausgeleert, wohingegen bei der P-Kinematik über den Koppelstangentrieb 18 die Kolbenstange des Kippzylinders 14 auszufahren hat. In jeweils umgekehrter Verfahrrichtung des Kippzylinders 14 wird dann wieder die in der 1 gezeigte Lastaufnahmestellung für die Schaufel 12 erreicht. Dahingehende Kinematiken für Arbeitsmaschinen, wie Radlader, sind üblich, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher im Detail eingegangen wird.
Der hydraulische Schaltplan nach der 2 zeigt nun in der Art einer Prinzipskizze die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung, die beispielhaft für Kinematiken eingesetzt werden kann, wie sie in der 1 aufgezeigt wurden. Die Lösung nach der 2 soll dabei für einen Hubzylinder 16 eingesetzt sein. Natürlich gibt es für die Kompensationsvorrichtung nach der 2 auch andere Einsatzmöglichkeiten, wie vorstehend beschrieben. Insbesondere erläutert die 2 das Zusammenwirken von Steuerventilen 20 in Form von einstellbaren Drosselventilen oder Blenden, von den beiden Speicherfüllventilen 22 sowie von den beiden Speicherentleerventilen 24, die entsprechend mit Px-Heben angesteuert einen Hebevorgang mittels des jeweiligen Hubzylinders 16 ermöglichen, wobei die Hubrichtung für den Zylinder 16 mit einem Pfeil 25 wiedergegeben ist. Ferner weist der Arbeitszylinder 16 jeweils eine mit A4 bezeichnete Zusatzfläche auf. Anstelle des genannten Hubzylinders 16 kann natürlich auch ein sonstiger Arbeitszylinder, insbesondere auch in Form eines Kippzylinders 14, zum Einsatz kommen, wobei dann der Befehl Px-Heben beispielsweise das Ausfahren der Kolbenstange des Kippzylinders 14 beschreibt. Die beiden Speicherfüllventile 22 werden von dem LS-Systemdruck (LS) ebenso angesteuert wie von dem LS-Verbraucherdruck (LSv).
Des Weiteren sind in den als Ganzes mit 26 bezeichneten hydraulischen Versorgungskreis, wie in 2 angegeben, zwei Energiespeicher in Form von üblichen Hydrospeichern 28 geschaltet, die hydraulische Energie, beispielsweise mittels eines abgetrennten Gasdruckvorrats, entsprechend abspeichern können.
Das jeweilige Speicherentleerventil 24 schaltet den Speicherdruck der Hydrospeicher 28 auf die Zusatzfläche A4, und zwar immer im Betriebszustand HEBEN der Gesamtvorrichtung. Das geschieht in vorteilhafter Weise- mit dem Ansteuersignal für die mit Pfeil 25 wiedergegebene HEBEN-Richtung. Bei jedem HEBEN-Vorgang wird also der Hubzylinder 16 durch den Speicherdruck des jeweils zuordenbaren Hydrospeichers 28 unterstützt, indem eine Kraftaddition A1 × P'_pu + A4 × P_sp stattfindet, wobei P'_pu der Druck stromab der Steuerventile 20 und P_SP der Speicherdruck ist. Sofern für den jeweiligen Hubzylinder 16 neben der Zusatzfläche A4 weitere Flächen-Bezeichnungen wie A1, A2 und A3 angegeben sind, betreffen diese gleichfalls die einschlägigen Steuerflächen für die Differential-Kolbenanordnung des jeweiligen Hubzylinders 16.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltplanlösung nach der 2 prüft das jeweilige Speicherfüllventil 22, ob der am Verbraucher 16 anliegende Verbraucherdruck niedriger als der Systemlastdruck ist. Bejahendenfalls sperrt es dann die Entlastungsleitung 30 zum Tank T hin und der jeweilige Hydrospeicher 28 kann befüllt werden. Der gasseitige Gegendruck des Hydrospeichers 28 steigt dann dabei, bis maximal der Verbraucherdruck mit dem LS-Druck des LS-Systems übereinstimmt. Dann schaltet das Speicherfüllventil 22 auf Entlastung der Füllleitung 32 zurück.
Die mögliche Speicherung der Kompensationsenergie und die Rückführung über die jeweils in den hydraulischen Versorgungskreis 26 angeschlossenen Hydrospeicher 28 geschehen im Wesentlichen ohne Drosselverluste, da die Durchströmung der Leitungen des Kreises 26 sowie die dargestellten Rückschlagventile nur geringe Drosselverluste bedingen. Mithin treten keine systembedingten Drosselverluste auf, weil beim Füllen und Entleeren des Speichers 28 die jeweilige Druckanpassung durch die Kraftaddition am Hubzylinder 16 als dem jeweiligen Verbraucher erfolgt.
Das durch die Ringfläche A2 beim Ausfahren in Blickrichtung auf die 2 nach rechts ausgeschobene Füllvolumen kann bei gesperrtem Speicherfüllventil 22 zum Laden des Hydrospeichers 28 eingesetzt werden, und soll der jeweilige Hubzylinder 16, weil er der Verbraucher mit der niedrigsten Last ist, mit einer Zusatzlast beaufschlagt werden, um die höhere Grundlast eines weiteren hydraulischen Verbrauchers zu erreichen, kann die eingespeicherte Energie im Hydrospeicher 28 wieder abgerufen und die Ringfläche A2 belastet werden, so dass dergestalt beim Ausfahren des Zylinders 16 in Hubrichtung 25 ein Widerstand an dessen Kolbenstange entsteht. Des Weiteren kann bei der Funktion Px-HEBEN und durchgeschaltetem Speicherentleerventil 24 Druck aus dem dann derart gebildeten Zwischenspeicher auf die Zusatzfläche A4 als Hubhilfe geleitet werden, um im Sinne einer Rekuperation das Ausfahren des Zylinders 16 energetisch zu unterstützen. Neben der bezeichneten Ringfläche A2 sowie der Zusatzfläche A4 steht A1 für die Bodenfläche und A3 für die Stangenfläche des Hubzylinders 16.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass der hydraulische Schaltplan nach der 2 mit den dort eingesetzten Komponenten zum einen die Möglichkeit eröffnet, Kompensationsenergie zu rekuperieren und zum anderen durch eine künstliche Lastbeaufschlagung des Arbeitszylinders dahingehende Kompensationsverluste entsprechend zu minimieren.
Abschließend sei noch erwähnt, dass zur Versorgung des Kreises eine übliche Hydropumpe 34 eingesetzt ist, die auch als Konstantpumpe ausgeführt sein kann.
Bei den nachfolgenden Figuren werden für dieselben Baukomponenten auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Die insoweit getroffenen Ausführungen zu den einzelnen Baukomponenten gelten dann auch für die entsprechenden Baukomponenten betreffend die nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 3 ist eine Lösungsvariante mit Zusatzflächen an einem Doppelkolbenzylinder 36 aufgezeigt, der auch eine Speicherfunktion mitübernehmen kann. Insbesondere wird der Doppelkolbenzylinder 36 als eine Art Hilfszylinder eingesetzt, um den gegebenenfalls niedrigen Speicherdruck aus den Hydrospeichern 28 zum Druck der Hydropumpe 34 hinzuaddieren zu können. Der dahingehend gebildete Summendruck wirkt dann auf der Ausstoßseite des Doppelkolbenzylinders 36 sowie auf der Bodenseite des jeweiligen Arbeitszylinders 16. Die Speicherfüll- und -entleerventile 22, 24 entsprechen denen aus der 2. Die Ansteuerventile 38 und 40 für die beiden Hubzylinder 16 bzw. für den Kippzylinder 14 sind mit allen Einzelheiten in der 3 entsprechend abgebildet. Der in der 3 dargestellte Kippzylinder 14 für die sogenannte P-Kinematik kippt mit der Ringfläche ein und im Eilgang aus. Bei einer Abfrage, ob Kompensationsenergie vorliegt, wird bejahendenfalls die korrespondierende Energie des parallelen Verbrauchers im Doppelkolbenzylinder 36 abgespeichert; andernfalls entlastet der jeweilige Doppelkolbenzylinder 36 zum Tank T hin. Bei Arbeitsvorgängen wie dem Heben oder Einkippen wird dies am jeweiligen Pilotsignal P_x erkannt, und man kann die Speicherenergie des jeweiligen Doppelkolbenzylinders 36 zur Unterstützung nutzen. Sofern der Doppelkolbenzylinder 36 mit dem jeweiligen Hydrospeicher 28 zusammenwirkt, hat er die Funktion eines Doppelkolbenspeichers.
Des besseren Verständnisses wegen erfolgt nun eine „grobe Funktionsbeschreibung” der Lösung nach der 3. Wenn das Steuerventil „Hubzylinder” 38 in Heben steht, dann wird der korrespondierende Doppelkolbenzylinder 36 nach rechts bewegt. Ein zufließender Volumenstrom aus dem zugeordneten Speicher 28 auf die Bodenseite erhöht die Kraft des Doppelkolbenzylinders 36 auf die Ölsäule der rechten Bodenseite, die mit dem jeweiligen Arbeitszylinder 16 verbunden ist. Die Ringseite des jeweiligen Arbeitszylinders 16 schiebt dann das ausgestoßene Öl in die Arbeitsleitung B. Die linke Ringkammer des Doppelkolbenzylinders 36 wird im Fall eines höheren Kippdrucks das auszuschießende Volumen in den Speicher 28, der dem Kippzylinder 14 zugerechnet ist, einschieben, weil das entsprechende Speicherfüllventil 22 in Sperrstellung zur Einspeiseleitung 42 steht.
In der sogenannten Schwimmstellung sind alle Kammern und mithin auch die linke Ringkammer des Doppelkolbenzylinders 36 mit der Einspeiseleitung 42 verbunden. Wenn gleichzeitig der Kippzylinder 14 betätigt wird (LS-Druck > 0), dann sperrt das Speicherfüllventil 22 die Verbindung zum Niederdruck, und der eventuell durch eine ansteigende Bodengestalt gehobene Hubzylinder 16 „schwimmt hoch”, nicht jedoch der Doppelkolbenzylinder 36. Beim sogenannten Einkippen des Kippzylinders 14 passiert sinngemäß das gleiche wie vorstehend beschrieben beim hebenden Hubzylinder 16. Der Kippzylinder 14 wird im Eilgang ausgekippt. Wegen der grundsätzlich anderen Verschaltung des Kippzylinders 14 ist auch der zugeordnete Doppelkolbenzylinder 36 gemäß der Darstellung nach der 3 anders verschaltet. Wie des Weiteren die 3 zeigt, ist der Versorgungskreis 26 mit einem Betriebsdruck zwischen 4 bis 6 bar durchaus ausreichend versorgt zum Einspeisen in Arbeitsleitungen A, B durch nicht gezeigte Einspeiseventile (Rückschlagventile) von der Einspeiseleitung 42 nach den Arbeitsleitungen A, B (bei ruhenden Lasten saugende Zylinderkammern).
Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 4 sind im Unterschied zu 3 drei Funktionen geändert. So gibt es nur einen zentralen Hydrospeicher 28, der von beiden Zylindergruppen 14, 16 genutzt wird. Die Funktion des Speicherfüll- und -entleerventils 22, 24 sind in einem einzigen Ventil, wie in 4 dargestellt, zusammengefasst. Der Rücklauf der Hubzylinder 16 beim Heben (Ausschieben der Ringfläche A₂) wird bei der Ausführungsform nach der 3 in die Einspeiseleitung 42 geleitet. In 4 wird dieser Rücklauf ebenfalls in den Speicher 28 geleitet oder entsprechend entlastet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 4 wird also der Speicher 28 aus zwei Verschiebevolumen gespeist und der Doppelkolbenzylinder 36 kann mit kleineren Ringflächen entsprechend anders ausgelegt werden.
Die Funktionen bei dem Ausführungsbeispiel nach der 4 sind im Wesentlichen gleich zu der Ausführungsform nach der 3. Das Speichersteuerventil ist jedoch komplexer in der Auslegung und in der Bauart. In der sogenannten Schwimmstellung sind die Zylinderflächen jeweils mit der Einspeiseleitung 42 verbunden. Der einzelne zentrale Hydrospeicher 28 kann etwas kleiner dimensioniert sein als die beiden Speicher 28 aus der 3 zusammen, weil die Füll- und Entleervorgänge weniger extrem, sprich harmonisch ablaufen.
Im Folgenden ist eine kurze Funktionsbeschreibung für die Lösung nach der 4 wiedergegeben. Das Logikventil für Speicherfüllen und Speicherentleeren ist hier als Kombinationsventil 22, 24 für beide Funktionen ausgeführt. Im Heben-Zustand (Hubarm 10)/Einkippen (Schaufel 12) des Wegeventils 38, 40 ist jeweils der Pilotdruck für Senken/Auskippen nicht vorhanden. Im Einzelbetrieb gilt „LS-Ventil = LS max” und das Kombinationsventil 22, 24 bleibt in der federgeschalteten Stellung stehen. In dieser Stellung wird Speicherenergie der linken Bodenkammer des Doppelkolbenzylinders 36 zugeführt und der Arbeitsvorgang des Zylinders 14, 16 unterstützt. Der Rücklauf des jeweiligen Arbeitszylinders wird in die Arbeitsleitung B/Füll-Leitung entlastet.
Wird der zweite Verbraucher parallel bewegt, dann gibt es zwei Fälle: Der parallele Verbraucher hat einen niederen oder höheren Lastdruck. Paralleler Verbraucher hat niederen Lastdruck: Für den ersten Verbraucher ändert sich nichts, weil sein Kombinationsventil 22, 24 unverändert in der federgeschalteten Stellung bleibt. Der parallele Verbraucher geht in den Kompensationszustand, weil das Kompensationsventil 22, 24 gegen die Feder umschaltet und sein Rücklauf in den Speicher 28 geleitet wird. Dadurch wird der Lastdruck des parallelen Verbrauchers angehoben und der Kompensationsverlust von der Pumpe 34 zum parallelen Verbraucher verkleinert oder gegen Null geführt. Paralleler Verbraucher hat höheren Lastdruck: Am Kombinationsventil 22, 24 des ersten Verbrauchers wirkt jetzt der höhere Lastdruck LS max des parallelen Verbrauchers gegen die Feder und schaltet das Kombinationsventil 22, 24 um. Jetzt wird der Rücklauf des ersten Verbrauchers zwangsweise in den Speicher 28 geleitet. Damit wird der Lastdruck des ersten Verbrauchers angehoben und die Kompensationsverluste vom Pumpendruck zum ersten Verbraucher reduziert.
Alternativ zur wahlweisen Rückspeisung des Ausschiebevolumens der Ringflächen der Arbeitszylinder in den Speicher 28 oder in die Einspeiseleitung 42 kann entweder der Doppelkolbenzylinder 36 oder die Ringfläche immer in die Einspeiseleitung 42 ausschieben. Durch die Alternativen eröffnen sich weitere Auslegungsvarianten für die vorstehend beschriebenen hydraulischen Schaltungen.
Bei der Ausführungsform nach der 5 wird der bisherige Doppelkolbenzylinder 36 durch eine Hilfskammer am Arbeitszylinder 16 ersetzt. Insoweit ist der Dreikammer-Arbeitszylinder 16 entsprechend nach der Lösung 2 konzipiert, wobei der dahingehende Arbeitszylinder im Vergleich zu Standardlösungen, wie in den 3 und 4 aufgezeigt, größer im Durchmesser, aber dafür um einen vorgebbaren Hub länger in der Ausführung ist.
Fährt die Kolbenstange am jeweiligen Hubzylinder 16 aus, schiebt die Zylinderfläche A₂ (Ringfläche stangenseitig) im Kompensationsfall in den Hydrospeicher 28 aus. Die Zusatzfläche A₄ empfängt dann Energie aus dem Speicher 28 beim Heben (Hubventil). Damit sind die bisher beschriebenen Funktionen des Doppelkolbenzylinders 36 ersetzt.
Fährt bei dem Kippzylinder 14 die Kolbenstange ein, erhält die Zusatzfläche A₄ beim Einkippen Energie aus dem Hydrospeicher 28. Die ausschiebende Bodenfläche schiebt bei Kompensation in den Hydrospeicher 28 oder wird, wenn der Kippdruck der Lasthöchste ist, in die Einspeiseleitung 42 verbunden.
Der Vorteil dieser Systemgestaltung nach der 5 liegt in der Einsparung der beiden Doppelkolbenzylinder 36 gemäß der Ausgestaltung nach den 3 und 4. Ersatzweise muss man den Aufwand für die Zusatzflächen an den jeweiligen Arbeitszylindern 16 tragen. Der Vorteil des Einsatzes der genannten Doppelkolbenzylinder 36 besteht darin, dass ein bereits ausgeliefertes konventionelles System nachgerüstet werden kann und dass übliche Standardzylinder einsetzbar sind. Wenn man beide Vorteile nutzen möchte, dann ist der Vorschlag nach der nachfolgenden 6 eine gute Annäherung an den üblichen Standard und die Funktionalität der Rückführung der Kompensationsenergie.
Bei der Ausführungsform nach der 6 betrifft diese eine sogenannte Tandem- oder Mehrfachanordnung von Arbeitszylindern 14, 16. Für viele Arten von Arbeitsmaschinen sind parallele Zylinderanordnungen bekannt, z. B. für die Ansteuerung eines Hubarmes (Hubrahmen 10) von Radladern und Baggern. Denkbar ist insbesondere eine derartige Gestaltung, wenn der eine Zylinder als Arbeitszylinder 16 und der andere als Rekuperationszylinder 16 dienen soll. Die jeweiligen Zylinder 14, 16 müssen nicht zwangsläufig geometrisch parallel zueinander angeordnet sein, sondern vielmehr eine „kinematisch parallele Anbindung” mit dem jeweiligen Arm 10 aufweisen. Der Aufbau der jeweiligen Arbeitszylinder 14, 16 als Standardzylinder ist kostengünstig. Ferner ist bei der Ausgestaltung der hydraulischen Schaltung eine weitere Kostensenkung durch die Vereinfachung der Ansteuerung der Speicherentleerventile 24 mit nur einem Ansteuersignal erreichbar.
An den Hubzylindern 16 sind die Rücklaufleitungen des Rekuperations- und Arbeitszylinders 16 zusammengeführt. Beide Ringflächen können zum Füllen des Speichers 28 genutzt werden. Das Speicherentleerventil 24 verbindet den Speicher 28 nur zur Bodenseite des Rekuperationszylinders 16. Beim Kippzylinder 14 sind die Verhältnisse gleich, sofern es sich um die Z-Kinematik (nicht dargestellt) handelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach der 6 sind die Verhältnisse der P-Kinematik dargestellt. Hier sind an den Zylindern wieder die Speicherfüllflächen miteinander verbunden. In diesem Fall sind das die Bodenseiten der Zylinder 14. Die Logik und die Funktion der Speicherfüll- und -entleerventile 22, 24 entsprechen denen aus 2.
Bei der Ausführungsform nach der 7 ist zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, die Hubarbeit des Leergewichtes des Hubarmes 10 beim Senken zurückzugewinnen. Im Vergleich zu der Ausführungsform nach der 6 ist dabei lediglich die Rücklaufleitung der beiden Zylinder 16 des Hubwerkes geändert. Statt in die Einspeiseleitung 42 werden die Rückläufe in die Speicherfüllleitung verbunden. Beim Senken schieben die Bodenseiten ihr Volumen in den Speicher 28. Auch im Einzelbetrieb (Senken ohne Einkippen) bleibt das so, denn die zusätzliche Steuerfläche „Px-Senken” am Speicherfüllventil bringt dieses Ventil in Sperrstellung gegen seine Feder. Die Funktion „Schwimmstellung” bleibt voll funktionsfähig, denn im Wegeventil ist jetzt die Speicherfüllleitung mit dem Einspeisesystem verbunden. Der hydraulische Schaltkreis für den Kippzylinder 14 bleibt unverändert bestehen, denn sein Gewicht wird vom Hubarm 10 getragen. Bei der hier aufgezeigten P-Kinematik des Kippzylinders 14 ist der Zylinder beim Auskippen, was schnell vonstattengehen soll, in Eilgangschaltung und schiebt kein Öl in den Tank T. Bei der möglichen Z-Kinematik (nicht dargestellt) kann eine Schaltung wie am Hubzylinder 16 umgesetzt werden.
Eine weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung ist darin zu sehen, dass der jeweilige Energiespeicher in der einen Betätigungsrichtung von einer ausschiebenden Verdrängerkammer des jeweiligen hydraulischen Verbrauchers 14, 16, gefüllt wird. Weiter ist die erfindungsgemäße Lösung gekennzeichnet durch mindestens ein Speicher-Füllventil, das die ausschiebende Leitung des jeweiligen hydraulischen Verbrauchers 14, 16 (ob direkt oder hinter dem jeweiligen Wegeventil) von der Rücklaufleitung trennt, wenn es eine höhere Last im System gibt. Der jeweilige Energiespeicher 28 kann in der einen Betätigungsrichtung über ein jeweiliges Speicher-Entleerventil mit einer Arbeitskammer des hydraulischen Verbrauchers 14, 16 verbunden werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist ferner gekennzeichnet durch eine Arbeitskammer am hydraulischen Verbraucher 14, 16, die zusätzlich zur Rückspeisung von Speicherenergie vorgesehen ist, oder im Sinne einer Tandem-Anordnung dient ein parallel angeordneter Verbraucher 14, 16 zur Rückspeisung der Speicherenergie. Ferner ist für die erfindungsgemäße Lösung charakteristisch, dass der Doppel-Kolben-Zylinder 36 über vier aktiv angeschlossene Anschlüsse zu seinen jeweiligen Arbeitskammern verfügt, die einmal mit einer Arbeitskammer des Verbrauchers, dem Arbeitsanschluss des Wegeventils sowie mit der Speicher-Füllleitung und Speicher-Entleerleitung verbunden sind.
Bei den Lösungen nach den 4, 5, 6 und 7 haben die Wegeventile keinen gemeinsamen Rücklaufanschluss; bei den Lösungen nach den 4, 5, 6 und 7 haben die Wegeventile jedoch zwei getrennte Rücklaufanschlüsse. Besonders vorteilhaft hat sich, wie vorstehend beschrieben, das direkte Rückspeisen der Speicherenergie auf eine Arbeitskammer des jeweiligen hydraulischen Verbrauchers 14, 16, sprich auf eine Arbeitsfläche am Zylinder, ergeben.
Die Darstellung nach der 8 offenbart, wie man die Kompensationsverluste, die in der 8 als strichlinierte Felder ausgewiesen sind, als Energiesparpotenzial nutzen kann. Dabei sind in der 8 die Kompensationsverluste am Beispiel eines Radladers mit Hub- und Kippzylindern im Einzelnen dargestellt, wobei der Radlader einen sogenannten Y-Zyklus fährt.
Alle Radlader, Bagger, sonstige Umschlaggeräte mit Arbeitszylindern, die insbesondere für schwere Arbeiten eingesetzt werden und bei denen aus Kostengründen nur eine gemeinsame Versorgungseinrichtung, insbesondere in Form einer Hydropumpe 34 vorhanden ist, sind besonders geeignet, mit der vorstehend beschriebenen Kompensationsvorrichtung ausgestattet zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Lemser: „Radlader – Eine wichtige Maschine für die Bauwirtschaft, Tiefbau 3/2003” [0014]

Claims

Kompensationsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz bei Arbeitsmaschinen, wie Radladern, mit mindestens zwei mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagbaren hydraulischen Verbrauchern (14, 16), die mittels einer Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) mit jeweils einem vorgebbaren Betätigungsdruck ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) derjenige hydraulische Verbraucher (14, 16) mit der jeweils geringeren Grundlast derart mit einer Zusatzlast beaufschlagt ist, dass die Gesamtlast für diesen hydraulischen Verbraucher (14, 16) in Richtung der höheren Grundlast für den jeweils anderen Verbraucher (14, 16) verschoben ist oder diesen übersteigt oder vorzugsweise gleich zu dieser höheren Grundlast ist.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) mindestens einen Energiespeicher (28) aufweist, der bei Betätigen der jeweiligen hydraulischen Arbeitsgerätschaft (14, 16) in einer Betätigungsrichtung, vorzugsweise schwerkraftunterstützt, hydraulische Energie abspeichert, die beim Betätigen in einer weiteren Betätigungsrichtung als Kompensationsenergie abrufbar als Zusatzlast zum Heraufsetzen der Gesamtlast für mindestens einen derjenigen Verbraucher (14, 16) eingesetzt ist, an der die geringere Grundlast angreift.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als hydraulische Verbraucher verschiedenste Arten von Arbeitszylindern (14, 16) zum Einsatz kommen in Form von Kolben-Stangen-Zylindern – mit gegenüber der Stangenseite vergrößerter Kolbenfläche und/oder – mit mindestens drei voneinander verschiedenen Kolben- und Stangenflächen in der Art eines Differentialzylinders (A₁, A₂, A₃, A₄) und/oder – mit zwei miteinander zusammenwirkenden Kolben in der Art eines Doppelkolbenzylinders (36).
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Stangen-Zylinder (14, 16) paarweise mechanisch in der Art einer Tandemanordnung miteinander gekoppelt sind, wobei innerhalb der Tandemanordnung ein Arbeitszylinder vorrangig die jeweilige Last verfährt und der andere Arbeitszylinder vorrangig als Rekuperatoreinrichtung zum wiederabrufbaren Speichern von Bewegungsenergie dient.
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Energiespeicher als Hydrospeicher (28) insbesondere in der Art eines Blasen-, Membran- oder Kolbenspeichers ausgebildet ist.
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22, 24; 38, 40) als Bestandteil eines hydraulischen Versorgungskreises (26) jedem hydraulischen Verbraucher (14, 16) zugeordnet über einen Energiespeicher (28) sowie ein Speicherfüll(22)- und ein Speicherentleer(24)-Ventil verfügt.
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherfüll(22)- und das Speicherentleer(24)-Ventil in einem Gesamtventil zusammengefasst sind.
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als Bestandteil des hydraulischen Versorgungskreises jedem hydraulischen Verbraucher (14, 16) zugeordnet über zusätzliche Steuerventile (38, 40) verfügt, die bevorzugt mindestens eine Schwimmstellung einnehmen können.
Kompensationsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils eingesetzten Arbeitszylinder (14, 16) Bestandteil einer Hub- und Kippkinematik, insbesondere in Form einer Z- oder P-Kinematik, für die Arbeitsgerätschaft, insbesondere in Form einer Arbeitsschaufel (12) bei einem Radlader, sind.