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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Aus der
CN 102152735 A ist ein hydraulisches Antriebssystem bekannt. Das hydraulische Antriebssystem umfasst einen Aktuator, der von einer Pumpe mit Druckfluid versorgt wird. Die Pumpe wird wahlweise von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor angetrieben. Zur Auswahl der Antriebsart ist ein Getriebe vorgesehen.
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Üblicherweise wird die Pumpe eines hydraulischen Antriebssystems direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung eines Getriebes, von einem Verbrennungsmotor angetrieben, um Kosten einzusparen. Dabei ist oft eine schaltbare Kupplung vorgesehen, um den Verbrennungsmotor von der Pumpe abzukuppeln, wenn das hydraulische Antriebssystem nicht benötigt wird. Das Ein- und Auskuppeln der Pumpe verursacht jedoch Kraftschläge im hydraulischen Antriebssystem. Deshalb wird die Pumpe oft in einer Leerlaufeinstellung betrieben, in der sie keinen oder nur einen sehr geringen Ölstrom fördert. Bei einer Axialkolbenpumpe wird hierfür der Schwenkwinkel auf Null bzw. auf nahezu Null eingestellt. In diesem sogenannten Standby-Betrieb muss der Verbrennungsmotor Antriebsleistung bereitstellen, um die innere Reibung der Pumpe zu überwinden.
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Beim dem erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystem ist im Standby-Betrieb eine geringere Antriebsleistung des Verbrennungsmotors erforderlich, so dass Energie eingespart wird.
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Gemäß dem selbständigen Sachanspruch wird vorgeschlagen, dass das Getriebe ein verstellbares Übersetzungsverhältnis aufweist.
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Gemäß dem selbständigen Verfahrensanspruch wird vorgeschlagen, dass dann, wenn kein Aktuator bewegt wird, das niedrigste Übersetzungsverhältnis des Getriebes eingestellt wird.
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Im Standby-Betrieb, also dann, wenn keiner der Aktuatoren bewegt wird, wird also durch Verstellung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes die Drehzahl der Pumpe herabgesetzt. In der Folge sinkt die Antriebsleistung, welche zur Überwindung der inneren Reibung der Pumpe erforderlich ist.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Das Getriebe kann als Schaltgetriebe mit zwei oder mehr festen Übersetzungsverhältnissen ausgebildet sein. Ein Schaltgetriebe ist besonders kostengünstig und hat gleichzeitig einen besonders hohen Wirkungsgrad.
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Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann stufenlos verstellbar sein. Hierdurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad des gesamten hydraulischen Antriebssystems erreicht werden.
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Das Getriebe kann wenigstens zwei Paare von miteinander kämmenden Zahnrädern aufweisen, wobei wenigstens eine Kupplung vorgesehen ist, mit der über zumindest eines der Paare von Zahnrändern eine Drehantriebsverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Pumpe hergestellt werden kann. Die Verstellung des Übersetzungsverhältnisses kann bei diesem Getriebe auf besonders einfache Weise durch Schalten der Kupplungen erfolgen. Dementsprechend kann der Schaltvorgang auf besonders einfache Weise automatisiert werden.
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Die Pumpe kann ein konstantes Verdrängungsvolumen aufweisen. Bei einem derartigen hydraulischen Antriebssystem kann überhaupt erst mit dem Getriebe eine Verstellung des Förderstroms der Pumpe erreicht werden. Vorzugsweise ist die Pumpe an ein Standby-Ventil angeschlossen, welches den Förderstrom der Pumpe im Wesentlichen drucklos in den Tank ableiten kann, wenn sich keiner der Aktuatoren bewegt.
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Die Pumpe kann ein verstellbares, vorzugsweise ein stufenlos verstellbares Verdrängungsvolumen aufweisen. Ein derartiges hydraulisches Antriebssystem hat einen besonders hohen Wirkungsgrad, da das Verdrängungsvolumen und damit der Förderstrom der Pumpe genau entsprechend dem Bedarf der Aktuatoren eingestellt werden kann. Es muss kein überschüssiger Volumenstrom unter hohen Energieverlusten in den Tank geleitet werden.
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Die Pumpe kann eine Axialkolbenpumpe mit einer drehbaren Trommel sein, wobei die Trommel mehrere Zylinderräume definiert, in denen jeweils ein zugeordneter Kolben linearbeweglich aufgenommen ist, wobei das Getriebe innerhalb der Trommel angeordnet ist. Der Vorteil besteht darin, dass das hydraulische Antriebssystem besonders wenig Bauraum benötigt. Insbesondere kann eine derartige Pumpe eine konventionelle Pumpe in bereits vorhandenen hydraulischen Antriebssystemen ersetzen, so dass diese mit der Erfindung nachgerüstet werden können. Für eine derartige Axialkolbenpumpe wird daher gesonderter Schutz angestrebt.
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Die Axialkolbenpumpe kann in Schrägscheibenbauweise ausgebildet sein. Eine derartige Axialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der
DE 20 38 086 A1 bekannt, deren gesamter Inhalt in Bezug genommen und zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Bei einer derartigen Axialkolbenpumpe findet zwischen der Trommel und dem Pumpengehäuse allein eine Drehbewegung statt, so dass das Getriebe besonders einfach in die Trommel integriert werden kann.
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Das Getriebe kann ein Umlaufgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, umfassen. Ein Umlaufgetriebe umfasst drei Antriebswellen, von denen zwei unabhängig voneinander in Drehbewegung versetzt werden können, wodurch sich eine bestimmte Drehzahl der dritten Antriebswelle ergibt. Durch geeignete Verkopplung der Antriebswellen kann auf besonders kleinem Bauraum ein Getriebe mit mehreren Übersetzungsstufen realisiert werden. Die Schaltpunkte können überdies so gewählt werden, dass sich die beiden Kupplungshälften bereits vor dem Einkuppeln synchron drehen, so dass eine Drehzahlanpassung während des Einkuppelns nicht erforderlich ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das vorgeschlagene hydraulische Antriebssystem in einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere in einem landwirtschaftlichen Traktor verwendet wird. Bei einem Traktor wird der Verbrennungsmotor in der weit überwiegenden Zeit allein zum Antrieb der Räder benutzt. Das hydraulische Antriebssystem kommt nur zum Einsatz, wenn beispielsweise das Hubwerk oder ein Anbaugerät bewegt werden sollen. Das hydraulische Antriebssystem läuft daher während eines großen Zeitanteils im Standby-Betrieb, so dass die vorliegende Erfindung eine besonders große Energieeinsparung bewirkt.
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Bevorzugt wird der höchste Lastdruck des Druckfluids ermittelt, welcher an einem bewegten Aktuator anliegt, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebes abhängig vom genannten höchsten Lastdruck eingestellt wird. Der Vorteil besteht darin, dass der Energieverbrauch besonders gering ist. Höchst vorzugsweise wird hierbei ein Getriebe mit drei oder mehr Schaltstufen oder ein stufenloses Getriebe verwendet. Vorzugsweise wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes abhängig von dem Volumenstrom, der von der Pumpe gefördert werden soll, eingestellt.
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Bevorzugt läuft dann, wenn sich keiner der Aktuatoren bewegt, die Pumpe mit einer geringen Drehzahl, die vorzugsweise zwischen 100 min–1 und 200 min–1 liegt, wobei die Pumpe ein von Null verschiedenes Verdrängungsvolumen aufweist. Die Energieverluste sind aufgrund der geringen Drehzahl besonders gering. Durch das von Null verschiedene Verdrängungsvolumen wird erreicht, dass das hydraulische Antriebssystem immer unter Druck steht, so dass beim Übergang vom Standby-Betrieb in den Arbeitsbetrieb keine Kraftschläge auftreten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems;
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2 ein Diagramm, in dem die Pumpendrehzahl über der Zeit aufgetragen ist; und
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3 ein Diagramm, in dem die Leerlaufleistung der Pumpe über der Pumpendrehzahl aufgetragen ist.
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1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems 10. Das hydraulische Antriebssystem 10 umfasst einen Aktuator 11, der beispielsweise als Zylinder oder als Hydromotor ausgebildet ist, wobei auch mehrere Aktuatoren 11 vorgesehen sein können. Der Aktuator 11 wird von einer zugeordneten Pumpe 12 mit Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl, versorgt, wobei eine Pumpe 12 mehrere Aktuatoren 11 versorgen kann. Die Pumpe 12 saugt das Druckfluid aus dem Tank 14 an und fördert es über die Ventilbaugruppe 20 zu dem Aktuator 11. Von dort läuft das Druckfluid wieder in den Tank 14 zurück. Die Pumpe 12 weist vorzugsweise ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen auf und ist vorzugsweise als Axialkolbenpumpe, vorzugsweise in Schrägscheibenbauweise ausgeführt. Zur Verstellung des Verdrängungsvolumens ist eine Verstelleinrichtung 13 vorgesehen, welche von der Steuervorrichtung 30 betätigt werden kann.
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Jedem Aktuator 11 ist eine Ventilbaugruppe 20 zugeordnet, mit welcher die Bewegungsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit des Aktuators 11 gesteuert werden kann. Die Ventilbaugruppe 20 umfasst ein Wegeventil 21, mit dem die Fahrtrichtung eingestellt werden kann, wobei stromaufwärts zum Wegeventil 21 eine stetig verstellbare Blende 22 angeordnet ist, mit der die Bewegungsgeschwindigkeit eingestellt werden kann. Die gemeinsame Betätigungsvorrichtung 23 soll andeuten, dass das Wegeventil 21 und die Blende 22 an einem gemeinsamen Ventilschieber der Ventilbaugruppe ausgebildet sind.
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Der Strömungswiderstand der Blende 22 ist unabhängig von der Ventilstellung immer deutlich kleiner als der Strömungswiderstand des Wegeventils 21, so dass der Lastdruck 33 unabhängig von der Bewegungsrichtung zwischen der Blende 22 und dem Wegeventil 21 abgegriffen werden kann. Der Lastdruck 33 wird beispielsweise mit einem Drucksensor 31 gemessen, wobei der Messwert einer elektronischen Steuervorrichtung 30 zugeführt wird, welche vorzugsweise einen Digitalrechner und einen Speicher umfasst. Sofern mehrere Aktuatoren 11 vorgesehen sind, werden die entsprechenden Lastdrücke 33 mit einer Wechselventilkaskade zusammengeschaltet, um den maximalen Lastdruck zu bestimmen, wobei nur dieser vom Drucksensor 31 gemessen wird. Anstelle der elektronischen Steuervorrichtung 30 kann auch eine rein hydraulisch arbeitende Steuervorrichtung vorgesehen sein.
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Der Verbrennungsmotor 15 ist vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildet. Die Steuervorrichtung 30 stellt dessen Gasstellung so ein, dass er die erforderliche mechanische Leistung abgibt, wobei er mit einer verbrauchsoptimalen Drehzahl läuft. Sofern das hydraulische Antriebssystem 10 in eine mobile Arbeitsmaschine eingebaut ist, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 15 auch von deren Fahrgeschwindigkeit abhängig sein.
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Der Verbrennungsmotor 15 treibt die Eingangswelle 41 eines Getriebes 40 an, das ein verstellbares Übersetzungsverhältnis aufweist. Die Ausgangswelle 42 des Getriebes 40 treibt wiederum die Pumpe 12 an. Vorzugsweise ist das Getriebe 40 als Schaltgetriebe mit zwei festen Übersetzungsverhältnissen ausgebildet. Das erste Übersetzungsverhältnis wird beispielsweise von dem ersten Zahnradpaar 44 bereit gestellt, wobei das zweite Übersetzungsverhältnis beispielsweise von einem zweiten Zahnradpaar 45 bereitgestellt wird. Jedes Zahnradpaar 44; 45 umfasst zwei miteinander kämmende Zahnräder 43, die beispielsweise als schräg verzahnte Stirnzahnräder ausgebildet sind.
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Mit den Kupplungen 46; 47 kann ausgewählt werden, welches Zahnradpaar 44; 45 die Drehantriebsverbindung zwischen der Eingangswelle 41 und der Ausgangswelle 42 herstellen soll. Ein Zahnrad 43 des ersten Zahnradpaares 44 sitzt dabei fest auf der Eingangswelle 41, wobei das andere Zahnrad 43 fest auf einer zweiten drehbaren Zwischenwelle 49 sitzt. Mit der ersten Kupplung 46 kann die zweite Zwischenwelle 49 fest mit der Ausgangswelle 42 gekuppelt werden, so dass das erste Übersetzungsverhältnis eingestellt ist. Die zweite Kupplung 47 muss dabei offen sein, damit das Getriebe 40 nicht klemmt. Ein Zahnrad 43 des zweiten Zahnradpaares 45 sitzt fest auf einer ersten drehbaren Zwischenwelle 48, wobei das andere Zahnrad 43 fest auf der Ausgangswelle 42 sitzt. Mit der zweiten Kupplung 47 kann die Eingangswelle 41 fest mit der ersten Zwischenwelle 48 gekuppelt werden, so dass das zweite Übersetzungsverhältnis eingestellt ist. Die erste Kupplung 46 muss dabei offen sein, damit das Getriebe 40 nicht klemmt. Wenn beide Kupplungen 46; 47 offen sind, ist die Drehantriebsverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 15 und der Pumpe 12 aufgehoben. Die beiden Kupplungen 46; 47 können von der Steuervorrichtung 30 betätigt werden.
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An die Steuervorrichtung 30 ist ein Joystick oder ein ähnliches Bedienelement 32 angeschlossen, mit welchem der Benutzer des hydraulischen Antriebssystems 10 die gewünschte Bewegung des Aktuators 11 wählen kann. Sofern keine Bewegung irgendeines Aktuators 11 gewünscht ist, schaltet die Steuervorrichtung 30 das Getriebe 40 in die Übersetzungsstufe, in welcher die Pumpe 12 am langsamsten läuft, vorliegend also in die erste Übersetzungsstufe. Dabei wird eine Pumpendrehzahl von 100 min–1 bis 200 min–1 angestrebt. Weiter stellt die Steuervorrichtung 30 das Verdrängungsvolumen der Pumpe 12 mittels der Verstellvorrichtung 13 so ein, dass in dem hydraulischen Antriebssystem 10 der gewünschte Betriebsdruck aufrecht erhalten wird. Die Pumpe 12 muss also denjenigen Fluidstrom fördern, welcher durch Leckagen verloren geht.
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Sobald mit dem Bedienelement 32 eine Bewegung eines Aktuators 11 angefordert wird, schaltet die Steuervorrichtung 30 das Getriebe 40 in die Übersetzungsstufe, in welcher die Pumpe 12 mit der gewünschten Arbeitsdrehzahl läuft, die beispielsweise 800 min–1 beträgt. Während des Fahrens einer mobilen Arbeitsmaschine kann die Arbeitsdrehzahl beispielsweise 2000 min–1 betragen. Die Pumpe 12 dreht im Arbeitsbetrieb vorzugsweise etwa 4-mal so schnell wie im Standby-Betrieb. Das Verdrängungsvolumen der Pumpe 12 wird so eingestellt, dass der Volumenstrom gefördert wird, der notwendig ist, um alle Aktuatoren 11 mit der gewünschten Geschwindigkeit zu bewegen. Die Feineinstellung der Geschwindigkeit des Aktuators 11 erfolgt über den Elektromagnet 24 an der Ventilbaugruppe 20.
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Sofern ein stufenloses Getriebe oder ein Getriebe mit drei oder mehr festen Übersetzungsverhältnissen vorgesehen ist, wird das Übersetzungsverhältnis im Arbeitsbetrieb anhand des mit dem Drucksensor 31 gemessenen maximalen Lastdrucks 33 ausgewählt. Weiter kann der Volumenstrom berücksichtigt werden, der von der Pumpe 12 gefördert werden soll. Außerdem ist es denkbar, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 15 zu berücksichtigen.
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2 zeigt ein Diagramm, in dem die Pumpendrehzahl n über der Zeit t aufgetragen ist, wobei die entsprechende Kurve 53 als durchgezogene Linie eingezeichnet ist. Die Strichline 54 stellt den Betriebszustand des hydraulischen Antriebssystems dar. Dabei ist der Standby-Zustand mit der Nr. 51 gekennzeichnet, wobei der Arbeitszustand mit der Nr. 52 gekennzeichnet ist. Beim Übergang vom Standby-Zustand 51 in den Arbeitszustand 52 steigt die Pumpendrehzahl n schnell auf eine etwa um den Faktor Vier höhere Drehzahl an. Beim Übergang vom Arbeitszustand 52 in den Standby-Zustand 51 fällt die Pumpendrehzahl n ebenso schnell wieder ab. Die entsprechenden Übergänge erfolgen nicht schlagartig, sie folgen vielmehr wie üblich in etwa einer Exponentialfunktion.
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3 zeigt ein Diagramm, in dem die Leerlaufleistung P der Pumpe über der Pumpendrehzahl n aufgetragen ist. Zu erkennen ist, dass die Leerlaufleistung P mit zunehmender Pumpendrehzahl n ansteigt. Mit der Nr. 55 ist die niedrige Standby-Drehzahl gekennzeichnet. Mit der Nr. 57 ist die Arbeitsdrehzahl der Pumpe gekennzeichnet. Bei der Standby-Drehzahl 55 ist die Leerlaufleistung P der Pumpe deutlich niedriger als bei der Arbeitsdrehzahl 57.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hydraulisches Antriebssystem
- 11
- Aktuator
- 12
- Pumpe
- 13
- Verstelleinrichtung
- 14
- Tank
- 15
- Verbrennungsmotor
- 20
- Ventilbaugruppe
- 21
- Wegeventil
- 22
- stetig verstellbare Blende
- 23
- Betätigungsvorrichtung
- 24
- Elektromagnet
- 30
- Steuervorrichtung
- 31
- Drucksensor
- 32
- Bedienelement
- 33
- Lastdruck
- 40
- Getriebe
- 41
- Eingangswelle
- 42
- Ausgangswelle
- 43
- Zahnrad
- 44
- erstes Zahnradpaar
- 45
- zweites Zahnradpaar
- 46
- erste Kupplung
- 47
- zweite Kupplung
- 48
- erste Zwischenwelle
- 49
- zweite Zwischenwelle
- 50
- Leerlaufdrehzahl
- 51
- Standby-Zustand
- 52
- Arbeitszustand
- 53
- Drehzahl der Pumpe
- 54
- Betriebszustand
- 55
- Standby-Drehzahl
- 56
- Leerlaufleistung der Pumpe
- 57
- Arbeitsdrehzahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 102152735 A [0002]
- DE 2038086 A1 [0015]
