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Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines Flurförderzeugs, mit einem Antriebsmotor und mindestens einer von dem Antriebsmotor angetriebenen Hydraulikpumpe, wobei das Antriebssystem mit einer Energierückgewinnungseinrichtung versehen ist, die einen Druckmittelspeicher zur Speicherung von Druckmittel aufweist.
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Hydrostatische Antriebssysteme von mobilen Arbeitsmaschinen, beispielsweise Flurförderzeuge, weisen hydraulische Antriebe auf, beispielsweise eine Arbeitshydraulik und/oder einen hydrostatischen Fahrantrieb und sind häufig mit einem Druckmittelspeicher versehen. Mit dem Druckmittelspeicher wird eine Energierückgewinnung ermöglicht. Der Druckmittelspeicher wird hierzu durch freiwerdende Energie, beispielsweise Bremsenergie des Fahrantriebs und/oder Lastsenkenenergie beim Absenken einer Last eines Hubantriebs einer Arbeitshydraulik, mit Druckmittel aufgeladen. Die hydraulischen Antriebe und der Druckmittelspeicher werden hierbei im Mitteldruckbereich oder Hochdruckbereich von mehreren hundert bar betrieben. Der aufgeladene Druckmittelspeicher dient dazu, in Verbindung mit dem hydrostatischen Triebwerk, das angetrieben von dem Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher, einen hydraulischen Starter einer Start-Stopp-Funktion für den Antriebsmotor, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, und/oder einen Booster-Antrieb zur Unterstützung des laufenden Antriebsmotors oder des Hydrauliksystems zu bilden. Weiterhin können Nebenverbraucher, beispielsweise ein Speisekreis des Antriebssystems oder eine Lenkungshydraulik der Arbeitsmaschine, mit Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher betrieben werden.
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Gattungsgemäße Antriebssystem mit einem Druckmittelspeicher für eine Energierückgewinnung, der eine Start-Stopp-Funktion und/oder einen Booster-Antrieb ermöglicht, sind aus der der
EP 2 308 795 A1 oder der
DE 10 2011 104 919 A1 bekannt.
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Bei bekannten Antriebssystemen arbeitet jedoch die Energierückgewinnung, beispielsweise beim Senken einer Last eines Hubantriebs der Arbeitshydraulik, nur in engen Grenzen. Erfolgt das Senken ohne Last oder mit einer geringen Last und somit einem geringen Lastdruck, ist ein Ladebetrieb des Druckmittelspeichers aufgrund des zu geringen Lastdruckes nicht möglich. Zudem darf bei kaltem Druckmittel des Antriebssystems in einer Rücklaufleitung des Hubantriebs zu einem Behälter kein zusätzlicher Druckverlust eingebaut werden, um die gewünschte Senkengeschwindigkeit des Hubantriebs nicht zu beeinflussen und zu verlangsamen. Sofern mehrere Senkenvorgänge nacheinander erfolgen, ohne den Druckmittelspeicher ausreichend entladen zu haben, kann häufig nur in dem ersten Senkenvorgang eine Energierückgewinnung erfolgen, da nach dem ersten Senkenvorgang der Ladedruck des Druckmittelspeichers höher als der Lastdruck des Hubantriebs in der Rücklaufleitung ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, das hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten der Energierückgewinnung verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Energierückgewinnungseinrichtung einen Hydrotransformator aufweist, der den Druckmittelspeicher mit Druckmittel lädt. Ein Hydrotransformator kann als ein hydraulisches System, bei dem mindestens ein Hydromotor und eine Hydropumpe hydraulisch oder mechanisch, beispielsweise mittels einer Welle, gekoppelt ist, aufgebaut sein, mit dem ein hydraulischer Energiestrom Q1 × p1 in einen hydraulischen Energiestrom Q2 × p2 verlustfrei umwandelbar ist. Mit einem Hydrotransformator kann somit ein Volumenstrom mit einem ersten Druck in einen Volumenstrom mit einem zweiten Druck ohne Verluste, insbesondere Drosselverluste, transformiert und umwandelt werden. Ein Hydrotransformator ermöglicht es somit, die mit einem ersten Druckniveau in einem Energierückgewinnungsbetrieb freiwerdende Energie, beispielsweise die Bremsenergie des Fahrantriebs und/oder die Lastsenkenenergie beim Absenken einer Last eines Hubantriebs der Arbeitshydraulik, ohne Drosselverluste auf einem abweichenden Druckniveau zum Laden des Druckmittelspeichers zu verwenden. Mit dem Hydrotransformator wird das Produkt aus Volumenstrom und Druck der freiwerdenden Energie bei einer Energierückgewinnung derart transformiert, dass sich ohne nennenswerte Verluste ein Volumenstrom bei Ladedruck des Druckmittelspeichers in den Druckmittelspeicher einstellt, der den Druckmittelspeicher auflädt. Mit dem Hydrotransformator wird somit ermöglicht, einen hohen Lastdruck bei der Energierückgewinnung in einen niedrigeren Druck bei höherem Volumenstrom zum Laden des Druckmittelspeichers zu transformieren sowie einen geringen Lastdruck bei der Energierückgewinnung in einen höheren Druck bei geringerem Volumenstrom zum Laden des Druckmittelspeichers zu transformieren. Mit dem Hydrotransformator wird somit erzielt, die freiwerdende Energie bei einer Energierückgewinnung vollständig zum Laden des Druckmittelspeichers zu nutzen. Auch bei einem geringen Druckniveau während einer Energierückgewinnung, beispielsweise einem Senken ohne Last oder mit einer geringen Last und somit einem geringen Lastdruck, kann mit dem Hydrotransformator ein Volumenstrom mit einem höheren Druck und somit auf einen höheren Speicherdruck zum Laden des Druckmittespeichers und somit zur Energierückgewinnung erzeugt werden. Weiterhin kann bei mehreren aufeinanderfolgenden Senkenvorgängen mit dem Hydrotransformator ein Laden des Druckmittelspeichers und somit eine Energierückgewinnung erzielt werden.
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Der Hydrotransformator ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung von einem in einer Energierückgewinnungsleitung der Energierückgewinnungseinrichtung strömenden Druckmittelstrom angetrieben und fördert Druckmittel in den Druckmittelspeicher. Mit dem Hydrotransformator wird somit der in der Energierückgewinnungsleitung strömende Energiestrom in einen Energiestrom zum Laden des Druckmittelspeichers transformiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Hydrotransformator an einem ersten Anschluss an die Energierückgewinnungsleitung angeschlossen, an einem zweiten Anschluss mit dem Druckmittelspeicher verbunden und an einem dritten Anschluss mit einem Behälter verbunden. Derartige Hydrotransformatoren bestehen aus einer Axialkolbenmaschine mit einer verstellbare Steuerscheibe, die Druckmittelströme steuert, wobei in der Steuerscheibe drei Steuernieren ausgebildet sind, die die entsprechenden Anschlüsse des Hydrotransformators bilden.
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Gemäß einer alternativen und vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst der Hydrotransformator mindestens zwei Teiltriebwerke, die mittels einer Triebwelle miteinander verbunden sind, wobei ein erstes Teiltriebwerk als Hydromotor ausgebildet ist, das an einem ersten Anschluss mit der Energierückgewinnungsleitung und an einem zweiten Anschluss mit einem Behälter in Verbindung steht, und wobei ein zweites Teiltriebwerk als Hydropumpe ausgebildet ist, das an einem ersten Anschluss mit dem Behälter und an einem zweiten Anschluss mit dem Druckmittelspeicher in Verbindung steht. Das erste Teiltriebwerk bildet somit einen Hydromotor, der mit Druckmittel in der Energierückgewinnungsleitung angetrieben wird. Das zweite Teiltriebwerk bildet eine Hydropumpe, die den Druckmittelspeicher mit Druckmittel lädt und über die Triebwelle von dem Hydromotor angetrieben ist. Mit einem derartigen Hydrotransformator wird es auf einfache Weise ermöglicht, den Druckmittelspeicher, dessen Druckniveau von dem Druckniveau in der Energierückgewinnungsleitung abweichen kann, ohne Verluste mit der freiwerdenden Energie bei einer Energierückgewinnung mit Druckmittel aufzuladen. Der Hydrotransformator bildet mit seiner Triebwelle eine von der Abtriebswelle des Antriebsmotors und somit dem Antriebsstrang der Arbeitsmaschine unabhängige zweite Welle bildet, die ohne Verlängerung des Antriebsstranges räumlich getrennt in der Arbeitsmaschine angeordnet werden kann.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das zweite Teiltriebwerk als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet ist. Durch Anpassung des Verdrängervolumens des als Hydropumpe arbeitenden zweiten Teiltriebwerks kann somit erzielt werden, dass das zweite Teiltriebwerk bei einer Energierückgewinnung stets auf den Speicherduck des Druckmittelspeichers fördert, um den Druckmittelspeicher aufzuladen.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das zweite, als Verstelltriebwerk ausgebildete Teiltriebwerk auf eine Stellung mit Verdrängervolumen Null verstellbar ist.
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Hierdurch wird gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ermöglicht, das zweite Teiltriebwerk während einer Energierückgewinnung bei kaltem Druckmittel und/oder einem geringen Energierückgewinnungsdruck in der Energierückgewinnungsleitung in die Stellung mir Verdrängervolumen Null zu verstellen. Hierdurch wird erzielt, dass bei kaltem und zähem Druckmittel oder bei einem geringen Druck in der Energierückgewinnungsleitung, beispielsweise bei einem Senken ohne Last, das auf das Verdrängervolumen Null verstellte Teiltriebwerk kein Drehmoment und keinen zusätzlichen Druckverlust in der Energierückgewinnungsleitung verursacht, so dass das Druckmittel in der Energierückgewinnungsleitung ohne zusätzliche Druckverluste in einen Behälter abströmen kann, um eine gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers zu erzielen.
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Mit besonderem Vorteil wird das Verdrängervolumen des zweiten Teiltriebwerks bei einer Energierückgewinnung derart eingestellt, dass das zweite Teiltriebwerk auf den im Druckmittelspeicher anstehenden Speicherdruck fördert. Hierdurch wird auf einfache Weise erzielt, dass bei einer Energierückgewinnung das zweite Teiltriebwerks bei einer Energierückgewinnung stets auf den Speicherduck des Druckmittelspeichers fördert. Der Volumenstrom zum Laden des Druckmittelspeichers passt sich hierbei automatisch an.
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Mit besonderem Vorteil erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Energierückgewinnung in einem Senkenbetrieb oder einem Bremsbetrieb eines Verbrauchers, wobei die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers während einer Energierückgewinnung durch Einstellung des Verdrängervolumens des zweiten Teiltriebwerks erfolgt. Der Hydrotransformator wird somit weiterhin dazu genutzt, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers während einer Energierückgewinnung einzustellen. Hierzu wird das Verdrängervolumen des zweiten Teiltriebwerks entsprechend angepasst und dadurch ein Bremsmoment des als Hydromotor arbeitenden und von dem in der Energierückgewinnungsleitung abströmenden Druckmittels angetriebenen ersten Teiltriebwerks eingestellt. Hierdurch wird während einer Energierückgewinnung eine Drosselung des in der Energierückgewinnungsleitung strömenden Druckmittels vermieden und bei der Energierückgewinnung ein Wärmeintrag in das Druckmittel vermieden. Durch die Verringerung des Wärmeeintrags in das Druckmittel kann die Kühlleistung einer Kühlereinrichtung verringert werden.
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Das erste Teiltriebwerk kann als im Verdrängervolumen konstantes Konstanttriebwerk oder als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet sein.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Hydrotransformator gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zumindest ein weiteres Teiltriebwerk aufweist, das zur Versorgung eines Verbrauchers vorgesehen ist, wobei das zweite Teiltriebwerk, das mit dem Druckmittelspeicher verbunden ist, als Hydropumpe und als Hydromotor betreibbar ist. Hierdurch wird es auf einfache Weise möglich, weitere Verbraucher mit der in dem Druckmittelspeicher enthaltenen Energie anzutreiben. Das zweite Teiltriebwerk arbeitet hierzu als Hydromotor, der von dem Druckmittel in dem Druckmittelspeicher angetrieben wird, und das weitere, als Hydropumpe ausgebildete Teiltriebwerk antreibt, das den Verbraucher mit Druckmittel versorgt.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Hydrotransformator gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein weiteres Teiltriebwerk aufweist, das als Hydromotor ausgebildet ist und mit einer weiteren Energierückgewinnungsleitung verbunden ist. Hierdurch wird es auf einfache Weise möglich, weitere Verbraucher und Quellen für eine Energierückgewinnung einzubeziehen, mit denen der Druckmittelspeicher mit Druckmittel aufgeladen werden kann.
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Das weitere Teiltriebwerk kann als im Verdrängervolumen konstantes Konstanttriebwerk oder als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet. Hierdurch wird es auf einfache Weise ermöglicht, auf unterschiedliche Drücke im Druckmittelspeicher und schwankende Druckbedarfe des Verbrauchers eingehen zu können und eine maximale Energieausnutzung der im Druckmittelspeicher gespeicherten Energie zu erzielen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hydrotransformator mit einem mechanischen Getriebe zwischen den Teiltriebwerken versehen. Durch mechanische Getriebe wird es auf einfache Weise ermöglicht, große Drehzahlspreizungen oder Unterschiede in den Verdrängervolumen des Hydrotransformators zu übersetzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Druckmittelspeicher mittels einer Verbindungsleitung mit einem Verbraucher verbunden. Die im Druckmittelspeicher während einer Energierückgewinnung gespeicherte Energie kann somit auf einfache Weise zum Antrieb und zur Versorgung eines Verbrauchers verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Druckmittelspeicher Bestandteil einer hydraulischen Start-Stopp-Funktion des Antriebsmotors und/oder eines Boosterantriebs. Mit dem Druckmittelspeicher und einem von dem Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher angetriebenen hydrostatischen Triebwerk des Antriebssystems kann auf einfache Weise eine hydraulische Start-Stopp-Funktion des Antriebsmotors und/oder ein Boosterantrieb zur Unterstützung des laufenden Antriebsmotors erzielt werden.
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Mit besonderem Vorteil ist der Hydrotransformator getrennt von einem Antriebsstrang der Arbeitsmaschine angeordnet, der von dem Antriebsmotor, der Hydraulikpumpe und einer die Hydraulikpumpe antreibenden Abtriebswelle des Antriebsmotors gebildet ist. Der Hydrotransformator kann hierdurch in einem geeigneten Einbauort der Arbeitsmaschine eingebaut werden ohne den Antriebsstrang der Arbeitsmaschine zu verlängern.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Hydrotransformator einen modularen Aufbau mit einer Triebwelle auf, an die zumindest zwei Teiltriebwerke anflanschbar sind, wobei die Teiltriebwerke als Pumpen oder Motoren ausgebildet sein können, die jeweils als Konstanttriebwerk oder als Verstelltriebwerk ausgebildet sein können. Das System aus Druckmittelspeicher und Hydrotransformator umfasst somit eine Triebwelle, an die flexibel und modular Pumpen oder Motoren als Teiltriebwerke angebaut werden können, um je nach Anwendungsfall der Arbeitsmaschine einen geeigneten Hydrotransformator zur Versorgung von Nebenverbrauchern des Antriebssystems zu bilden. Mit einem modularen Aufbau des Hydrotransformators wird es auf einfache Weise ermöglicht, zusätzliche Teiltriebwerke je nach Anwendungsfall der Arbeitsmaschine vorzusehen, die zusätzliche Wellenleistung in die Triebwelle einspeisen, um den Druckmittelspeicher zu laden, oder die Wellenleistung von der Triebwelle abzweigen, um damit die im Druckmittelspeicher gespeicherte und verfügbare Energie auszunutzen.
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Besondere Vorteile sind erzielbar, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Energierückgewinnung durch Laden des Druckmittelspeicher im Bremsbetrieb eines Fahrantriebs, beispielsweise eines hydrostatischen Fahrantriebs im offenen Kreislauf, der Arbeitsmaschine und/oder im Senkenbetrieb eines Hubantriebs eines Hydrauliksystems der Arbeitsmaschine, beispielsweise einem Hubantrieb in Flurförderzeugen oder einem Auslegerantrieb in Baggern, Kranen oder Radladern, und/oder im Bremsbetrieb eines Drehantriebs, beispielsweise eines Drehwerksantriebs, der Arbeitsmaschine erfolgt. In derartigen Betriebszuständen, in denen an einem Verbraucher Bremsenergie oder Lastsenkenenergie frei wird, kann mit dem erfindungsgemäßen Hydrotransformator eine effektive Energierückgewinnung durch Laden des Druckmittelspeichers erzielt werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Weiterbildung der 1 und
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3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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In den 1 bis 3 sind jeweils erfindungsgemäße hydrostatische Antriebssysteme 1 einer nicht näher dargestellten mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Flurförderzeugs, in einer Prinzipdarstellung dargestellt. In den 1 bis 3 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 besteht aus einem Antriebsmotor 2, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einem von dem Antriebsmotor 2 angetriebenen Fahrantrieb 3 der Arbeitsmaschine sowie einem von dem Antriebsmotor 2 angetriebenen Hydrauliksystem 4, beispielsweise einer Arbeitshydraulik.
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Der Fahrantrieb 3 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als hydrostatischer Fahrantrieb ausgebildet, der aus einer im Fördervolumen verstellbaren Fahrpumpe 5 besteht, die zum Antrieb mit einer Abtriebswelle 6 des Antriebsmotors 2 in trieblicher Verbindung steht. Die Fahrpumpe 5 steht mit einem oder mehreren im Schluckvolumen festen oder verstellbaren Hydromotoren 7a, 7b im geschlossenen Kreislauf in Verbindung, die mit den angetriebenen Rädern R der Arbeitsmaschine in Wirkverbindung stehen.
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Der Fahrantrieb 3 kann alternativ als elektrischer Fahrantrieb mit einem von dem Antriebsmotor 2 angetriebenen elektrischen Generator und einem oder mehreren elektrischen Fahrmotoren gebildet werden. Zudem kann als Fahrantrieb ein mechanischer Fahrantrieb mit einem mechanischen Getriebe, beispielsweise einem Stufenschaltgetriebe oder einem Leistungsverzweigungsgetriebe oder einem Drehmomentwandlergetriebe, vorgesehen werden.
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Das als Arbeitshydraulik ausgebildete Hydrauliksystem 4 umfasst Arbeitsfunktionen der Arbeitsmaschine, beispielsweise bei einem Flurförderzeug eine Arbeitshydraulik zum Betätigen eines Lastaufnahmemittels an einem Hubmast, beispielsweise einen Hubantrieb, einen Neigeantrieb und gegebenenfalls vorhandene Zusatzverbraucher wie einen Seitenschieber.
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Das Hydrauliksystem 4 umfasst zur Versorgung mit Druckmittel eine im offenen Kreislauf betriebene Hydraulikpumpe 8, die zum Antrieb mit der Abtriebswelle 6 des Antriebsmotors 2 in trieblicher Verbindung steht. Die Hydraulikpumpe 8 des Hydrauliksystems 4 ist in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 als Verstellpumpe mit einem veränderbaren Fördervolumen ausgebildet, beispielsweise als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Die Hydraulikpumpe 8 saugt mit einer Ansaugleitung 9 Druckmittel aus einem Behälter 10 und fördert das Druckmittel in eine Förderleitung 11, die an eine nicht näher dargestellte Steuerventileinrichtung des Hydrauliksystems 4 angeschlossen ist, mittels der die nicht näher dargestellten hydraulischen Verbraucher des Hydrauliksystems 4 steuerbar sind. Die Steuerventileinrichtung umfasst bevorzugt ein oder mehrere Steuerwegeventile zur Betätigung der Verbraucher des Hydrauliksystems 4.
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Das Antriebssystem der 1 bis 3 umfasst weiterhin einen Nebenverbraucher 15, beispielsweise einen Speisekreis, zu dessen Versorgung eine im offenen Kreislauf betriebene Hydraulikpumpe 16 vorgesehen ist, die zum Antrieb mit der Abtriebswelle 6 des Antriebsmotors 2 in trieblicher Verbindung steht. Die Hydraulikpumpe 16 des Speisekreises 15 ist in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 als Konstantpumpe mit einem konstanten Fördervolumen ausgebildet. Die Hydraulikpumpe 16 saugt mit einer Ansaugleitung 17 Druckmittel aus dem Behälter 10 und fördert das Druckmittel in eine Förderleitung 18, die die nicht näher dargestellten Verbraucher des Speisekreises 15 angeschlossen sind. Als Verbraucher des Speisekreises 15 können eine Verstelleinrichtung zur Verstellung des Verdrängervolumens der Fahrpumpe 5, eine Verstelleinrichtung der Hydraulikpumpe 8, eine nicht näher dargestellte Einspeisevorrichtung des hydrostatischen Fahrantriebs, eine Bremsanlage der Arbeitsmaschine und Vorsteuerventile für die Steuerwegeventile des Hydrauliksystems 4 vorgesehen sein.
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Die von dem Antriebsmotor 2 angetriebene Abtriebswelle 6 mit dem von der Abtriebswelle 6 angetriebenen Fahrantrieb 3 und mit der von der Abtriebswelle 6 angetriebenen Hydraulikpumpe 8 des Hydrauliksystems 4 sowie der Hydraulikpumpe 16 des Speisekreises 15 bilden einen Antriebsstrang des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1.
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Das Antriebssystem der 1 bis 3 umfasst weiterhin eine Energierückgewinnungseinrichtung 20, die einen Druckmittelspeicher 21 umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Hydrotransformator 25 vorgesehen, der den Druckmittelspeicher 21 mit Druckmittel lädt. Der Hydrotransformator 25 ist von einem in einer Energierückgewinnungsleitung 27 der Energierückgewinnungseinrichtung 20 strömenden Druckmittelstrom angetrieben und fördert Druckmittel in den Druckmittelspeicher 21, um den Druckmittelspeicher 21 mit Druckmittel zu laden.
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Der Druckmittelspeicher 21 ist mittels einer Verbindungsleitung 22 mit mindestens einem Verbraucher 23 verbunden, um den Verbraucher 23 mit Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher 21 zu versorgen. Als Verbraucher 23 können beispielsweise der Speisekreis, eine hydraulische Lenkungseinrichtung oder ein Hydromotor vorgesehen sein, der mit der Abtriebswelle 6 trieblich verbunden ist, um einen hydraulischen Starter für den Antriebsmotor 2 einer Start-Stopp-Funktion und/oder einen Boosterantrieb zur Unterstützung des laufenden Antriebsmotors 2 zu bilden.
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Die 1 bis 3 unterscheiden sich hinsichtlich der Ausführung und des Aufbaus des Hydrotransformators 25.
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Der Hydrotransformator 25 der 1 und 2 umfasst eine von der Abtriebswelle 6 und somit von dem Antriebsstrang unabhängige und getrennte Triebwelle 30, mit der zumindest zwei Teiltriebwerken 25a, 25b, 25c trieblich verbunden sind.
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Der Hydrotransformator 25 der 1 besteht aus zwei Teiltriebwerken 25a, 25b, die mittels der Triebwelle 30 miteinander verbunden sind. Ein erstes Teiltriebwerk 25a ist als Hydromotor ausgebildet, der an einem ersten Anschluss mit der Energierückgewinnungsleitung 27 und an einem zweiten Anschluss mit dem Behälter 10 in Verbindung steht. Das zweite Teiltriebwerk 25b ist als Hydropumpe ausgebildet, das an einem ersten Anschluss mit dem Behälter 10 und an einem zweiten Anschluss mittels einer Verbindungsleitung 31 mit dem Druckmittelspeicher 21 in Verbindung steht.
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Das zweite Teiltriebwerk 25b ist als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet, das bevorzugt auf eine Stellung mit Verdrängervolumen Null verstellbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Teiltriebwerk 25a als im Verdrängervolumen konstantes Konstanttriebwerk ausgebildet.
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In der 2 besteht der Hydrotransformator 25 aus drei Teiltriebwerken 25a, 25b, 25c, die mittels der Triebwelle 30 miteinander verbunden sind.
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Das erste Teiltriebwerk 25a ist als Hydromotor ausgebildet, der an einem ersten Anschluss mit der Energierückgewinnungsleitung 27 und an einem zweiten Anschluss mit dem Behälter 10 in Verbindung steht. Das zweite Teiltriebwerk 25b ist als Hydromotor und als Hydropumpe betreibbar, das an einem ersten Anschluss mit dem Behälter 10 und an einem zweiten Anschluss mittels einer Verbindungsleitung 31 mit dem Druckmittelspeicher 21 in Verbindung steht. Das zweite Teiltriebwerk 25b ist als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet, das bevorzugt beidseitig verstellbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Teiltriebwerk 25a als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet.
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Das dritte Teiltriebwerk 25c ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Hydropumpe zur Versorgung des nicht näher dargestellten Verbrauchers 23 vorgesehen. Das dritte Teiltriebwerk 25c steht an einem ersten Anschluss mit dem Behälter 10 und an einem zweiten Anschluss mit der Verbindungsleitung 22 und somit dem Verbraucher 23 verbunden ist. Das dritte Teiltriebwerk 25c ist als im Verdrängervolumen verstellbares Verstelltriebwerk ausgebildet.
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Es versteht sich, dass als drittes oder weiteres Teiltriebwerk alternativ ein Hydromotor verwendet werden kann, der mit einer weiteren Energierückgewinnungsleitung verbunden ist, so dass eine weitere Quelle zum Laden des Druckmittelspeichers 21 durch eine Energierückgewinnung im Senken- oder Bremsbetrieb erschlossen wird.
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Der Hydrotransformator 25 der 3 ist von einem einzigen Triebwerk gebildet, das an einem ersten Anschluss an die Energierückgewinnungsleitung 27 angeschlossen ist, an einem zweiten Anschluss mittels einer Verbindungsleitung 31 mit dem Druckmittelspeicher 21 verbunden ist und an einem dritten Anschluss mit einem Behälter 10 verbunden ist.
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In den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt eine Energierückgewinnung in einem Senkenbetrieb eines Hubantriebs des Hydrauliksystems 4. Die Energierückgewinnungsleitung 27 ist hierbei als Rücklaufleitung ausgebildet, in der im Senkenbetrieb des Hubantriebs ein Druckmittelvolumenstrom vom Hubantrieb über den Hydrotransformator 25 in den Behälter 10 abströmt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Hydrotransformator 25 kann im Senkenbetrieb die Senkenenergie vollständig zum Laden des Druckmittelspeichers 21 genutzt werden. Mit dem Hydrotransformator 25 der 1 bis 3 kann ein hoher Druck in der Energierückgewinnungsleitung 27 in einen niedrigeren Druck bei einem höheren Volumenstrom zum Laden des Druckmittelspeichers 21 transformiert werden sowie ein niedriger Druck in der Energierückgewinnungsleitung 27 in einen höheren Druck bei einem kleineren Volumenstrom zum Laden des Druckmittelspeichers 21 transformiert werden
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In den 1 und 2 wird das Fördervolumen des als Hydropumpe arbeitenden zweiten Teiltriebwerks 25b bei einer Energierückgewinnung derart eingestellt, dass das zweite Teiltriebwerk 25b auf den Speicherdruck des Druckmittelspeichers 21 fördert. Der Förderstrom des zweiten Teiltriebwerks 25b, der von dem Behälter 10 in den Druckmittelspeicher 21 gefördert wird, passt sich dementsprechend an.
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Bei kaltem Druckmittel in der Energierückgewinnungsleitung 27 und/oder einem geringen Energierückgewinnungsdruck in der Energierückgewinnungsleitung 27, beispielsweise einem Senken des Hubantriebs ohne Last, wird das zweite Teiltriebwerk 25b während der Energierückgewinnung in die Stellung mir Verdrängervolumen Null verstellt. Das in der Energierückgewinnungsleitung 27 angeordnete erste Teiltriebwerk 25a, das als Hydromotor arbeitet und von dem Volumenstrom in der Energierückgewinnungsleitung 27 angetrieben ist, entlässt somit das in der Energierückgewinnungsleitung 27 zum Behälter 10 abströmende Druckmittel ohne zusätzliches Drehmoment und somit ohne zusätzliche Druckverluste, so dass kaltem Druckmittel in der Energierückgewinnungsleitung 27 und/oder einem geringen Energierückgewinnungsdruck in der Energierückgewinnungsleitung 27 keine Beeinträchtigungen der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers durch den Hydrotransformator 25 entstehen.
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Der erfindungsgemäße Hydrotransformator 25 wird weiterhin dazu genutzt, während einer Energierückgewinnung die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers zu steuern und einzustellen. Das Verdrängervolumen des zweiten Teiltriebwerks 25b wird hierzu entsprechend eingestellt, so dass mittels des ersten Teiltriebwerks 25a, das als Hydromotor arbeitet, ein gewünschtes Bremsmoment eingestellt wird. Eine Drosselung des Druckmittels zur Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit wird hierbei vermieden.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 weist eine Reihe von Vorteilen auf.
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Der Hydrotransformator 25 ermöglicht eine Energierückgewinnung und eine Wandlung hydraulischer Energie ohne Verluste.
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Mit dem Hydrotransformator 25 wird es ermöglicht, auch bei geringen Drücken in der Energierückgewinnungsleitung 27 oder bei hohen Speicherdrücken in dem Druckmittelspeicher durch Transformation des Druckes die vorhandene Senkenenergie oder Bremsenergie eines Verbrauchers vollständig auszunutzen.
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Durch einen modularen Aufbau des Hydrotransformators 25 kann der Hydrotransformator 25 auf einfache Weise an die Anforderungen einer Arbeitsmaschine angepasst, beispielsweise hinsichtlich der Anzahl der zu versorgenden Verbraucher 23 sowie hinsichtlich der Quellen zum Laden des Druckmittelspeichers 21. Durch den modularen Aufbau können entsprechend der Anzahl der zu versorgenden Verbraucher 23 Teiltriebwerke, die als Hydropumpen ausgebildet sind, an die Triebwelle 30 angeflanscht werden. Weiterhin können weitere Teiltriebwerke an die Triebwelle 30 angeflanscht werden, die als Hydromotoren ausgebildet sind und ein Laden des Druckmittelspeichers 21 aus weiteren Quellen ermöglichen.
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Durch eine höhere Anzahl von als Verstelltriebwerken ausgebildeten Teiltriebwerken des Hydrotransformators 25 können die Freiheitsgrade erhöht werden und die Verluste minimiert werden.
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Mit dem Hydrotransformator 25 erfolgt keine Drosselung des in der Energierückgewinnungsleitung 27 abströmenden Druckmittels zur Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des für die Energierückgewinnung verwendeten Verbrauchers. Dadurch erfolgt lediglich ein geringer Wärmeeintrag in das Druckmittel des Antriebssystems und zur Kühlung des Druckmittels wird lediglich ein geringer Kühlleistungsbedarf benötigt. Hierdurch ergeben sich insbesondere Vorteile bei einer Energierückgewinnung im Senkenbetrieb eines Hubantriebs.
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Die Bewegungsgeschwindigkeit des für die Energierückgewinnung verwendeten Verbrauchers kann mittels des Hydrotransformators 25 während einer Energierückgewinnung stufenlos variiert und gesteuert werden.
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Durch Verstellen des zweiten Teiltriebwerkes 25b auf das Verdrängervolumen Null kann ohne zusätzliche Druckverluste der Verbraucher betrieben werden, wodurch sich insbesondere beim Senken eines Hubantriebs ohne Last oder bei kaltem Druckmittel Vorteile ergeben, da von dem Hydrotransformator 25 hierbei keine Beeinträchtigung der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers erfolgt, beispielsweise der Senkengeschwindigkeit eines Hubantriebs.
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Mit dem Hydrotransformator 25 kann der Druckmittelspeicher 21 rekuperativ, beispielsweise in einem Senkenbetrieb oder einem Bremsbetrieb, mit hydraulischer Energie geladen werden und die gespeicherte Energie einem anderen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise einem Speisekreis, einer Lenkungshydraulik oder einem hydrostatischen Triebwerk als hydraulischer Starter einer Start-Stopp-Funktion und/oder einer Boosterfunktion. Bei Verwendung eines Verbrennungsmotors als Antriebsmotors kann hierbei durch das rekuperative Laden des Druckmittelspeichers eine Kraftstoffersparnis erzielt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die Teiltriebwerke 25a, 25b, 25c des Hydrotransformators 25 können durch mechanische Getriebe miteinander verbunden sein und dadurch große Drehzahlspreizungen oder Unterschiede in den Verdrängervolumen der Teiltriebwerke 25a, 25b, 25c übersetzen.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 kann in Arbeitsmaschinen mit verbrennungsmotorischem Antrieb eingesetzt, werden, bei denen der Antriebsmotor 2 als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 kann ebenfalls in Arbeitsmaschinen mit elektrischem Antrieb eingesetzt, werden, bei denen der Antriebsmotor 2 als Elektromotor ausgebildet ist. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 in Arbeitsmaschinen mit einem Hybridantrieb eingesetzt, werden. Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 kann in allen Fahrzeugen eingesetzt werden, die über einen hydraulischen Antrieb, beispielsweise einen hydrostatischen Fahrantrieb, einen Hubantrieb oder einen Drehwerksantrieb, verfügen, der über einen Druckmittelspeicher eine Energierückgewinnung von hydraulischer Energie im Senken- bzw. Bremsbetrieb ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2308795 A1 [0003]
- DE 102011104919 A1 [0003]
