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Eine Vorrichtung bestehend aus einem Gasdruckspeicher (1), welcher hydraulischen Druck erzeugt, um die hydraulischen Antriebe (5a, 5b) einer mobilen Arbeitsmaschine in ihrer Antriebsbewegung und -kraft zu unterstützen, wobei diese Vorrichtung einen oder mehrere Unterstützungszylinder (4a, 4b), in Form eines Differenzial-, Gleichgangzylinders oder anderen hydraulischen Antrieb an einem Zugangspunkten speist.
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Mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere Hydraulikbagger, Radlader, Schreitbagger, Baggerlader und deren Gattungen verfügen über hydraulische Antriebe, insbesondere Hydraulikzylinder, welche deren Arbeitsausrüstung, sprich Ausleger (3), bewegen. Dies gilt ebenso für Pionierfahrzeuge, deren Gattungen und sonstige wehrtechnische Manipulatoren. Zusammengefasst verfügen alle diese Maschinen und Fahrzeuge über einen Ausleger, der verschiedene Stellantriebe hat, um den Ausleger zu positionieren. Dabei verfügt der Ausleger (3) meistens über ein Anbauwerkzeug, das der Ausleger (3) führt. Der gängigste Antrieb ist der Hydraulikzylinder (5), welcher eine translatorische Bewegung ausführt und mit großer Kraft und hoher Leistungsdichte, hydraulischen Druck in eine Bewegung umsetz. Diese Bewegung kann linear oder rotatorisch den Ausleger (3) verstellen. Als Variationen kann ein Ausleger (3) ein Tiefbauausleger, ein Hochlöffelausrüstung, ein Hubgerüst oder etwas vergleichbares sein. Das Grundprinzip dieser mobilen Arbeitsmaschinen ist ein Antriebsaggregat, wie ein Diesel oder Elektromotor, welcher hydraulischen Druck durch eine Pumpe erzeugt, welches fortfolgend als Fluid bezeichnet wird. Dieser hydraulischer Druck wird über Ventile auf die Antriebe der Maschine verteilt. Es gibt eine direkte Korrelation zwischen dem Energieverbrauch des Antriebsmotors und der Last die durch die hydraulischen Antriebe bewegt wird. Sprich, wenn wenig Last mit dem Ausleger (3) bewegt wird, ist der Energieverbrauch geringer, als wenn schwere Lasten mit dem Ausleger (3) bewegt werden. Diese gilt für alle hydraulischen Antriebe an einer mobilen Arbeitsmaschine, je größer die Last desto höher der Energiebedarf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird am Beispiel des Hydraulikbaggers erläutert, kann jedoch trotzdem an jedem belieben hydraulischen Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine eingesetzt werden.
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Stand der Technik ist, dass hydraulische Antriebe mit Ventilen zur Energieverbrauchsoptimierung ausgestattet werden. Beispielsweise kann bei einem Hydraulikzylinder das Fluids, welches beim Ausfahren aus der Stangenseite wieder entweichen muss, durch ein so genanntes Eilgangventil in den Zulauf der Rohrbodenseite zugeführt werden, um ein schnelleres Ausfahren zu gewährleisten. Dies spart entweder durch schnellere Arbeitszyklen Energie oder durch weniger Zulaufbedarf des Fluids. Es gibt einige weitere Varianten, um steuerungstechnisch an bestehenden Arbeitsantrieben Optimierungen vorzunehmen. Ein anderer Ansatz sind Energierückgewinnungssysteme, wie beispielsweise bei den durch hydraulische Antriebe angetriebene Bewegungen das Zuschalten eines elektrischen Generators, um Energie zu gewinnen, welche gespeichert wird und später wieder abgegeben werden kann. Ein ähnliches Prinzip ist bereits bekannt, indem hydraulischer Druck beim Absenken des Auslegers (3), welcher durch die Schwerkrafteinwirkung entsteht, in einen Druckspeicher geleitet wird und nachträglich bei folgendem Druckbedarf abgerufen werden kann. Dieses Prinzip hat den entscheidenden Nachteil, dass hier die Arbeitsmaschine explizit auf das System konstruiert sein muss, dass sämtliche Systemkomponenten in die Maschine integriert werden müssen. Veränderungen am gesamten Oberwagen und Stahlbau ist für diese Lösung notwendig, vor Allem wenn diese noch mit weiterer elektrischer Rückgewinnung kombiniert wird.
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Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, die Vorteile einer Maschine mit einer Energiespeicherung durch einen Druckspeicher separat von der Maschinenkonstruktion abzubilden, dass das System bei jeder beliebigen, auch Gebrauchtmaschine nachgerüstet werden kann. Dies erreicht die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen zusätzlich Anbau eines Unterstützungszylinders (4), welche an einen maschinenunabhängigen Druckspeicher (1) gekoppelt ist. Durch diese Separation des Druckspeichers (1) mit einem eigenen hydraulischen Antrieb (4), welcher mechanisch mit den Arbeitszylinder (5) gekoppelt wird, kann das System kostengünstig auf jede bestehende mobile Arbeitsmaschine für den gewünschten hydraulischen Antrieb, sprich Arbeitszylinder (5), nachgerüstet werden. Somit wird das Ziel erreicht, eine Energiespeicherfunktion einzusetzen, ohne dabei an Hersteller oder Fabrikate gebunden zu sein. Neben dem technischen Vorteil die Schwerkrafteinwirkung auf den Ausleger (3) zu nutzen, um Energie zu speichern und diese im Bedarfsfall abzurufen, ist ein wichtiger Vorteil die Kostenersparnis und Wirtschaftlichkeit, jede beliebe, auch Gebrauchtmaschine mit dem System im Energieverbrauch zu senken.
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Das in den Figuren erläuterte Beispiel am Einsatz am Hydraulikbagger verdeutlich den Einsatz unabhängig, wie die Grundmaschine aufgebaut ist. Der Hydraulikbagger besteht aus einem Unterwagen (7), der in verschiedenen Varianten, wie Kettenfahrwerke, Radunterwägen oder ähnliches verfügbar ist. Darauf ist mit einer Drehverbindung ein Oberwagen (6) aufgesetzt, an dem der Ausleger (3) montiert wird. Dieses Grundprinzip gilt in verschiedenen Varianten für alle unter der Definition Hydraulikbagger befindlichen mobilen Arbeitsmaschinen. Das erfindungsgemäße Vorrichtungsprinzip kann jedoch auch auf einem zum Beispiel Radlader montiert werden oder jeglicher anderer Arbeitsmaschine.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem Gasdruckspeicher (1), welcher der Hauptbestandteil des Systems ist. Dieser verfügt über zwei Kammern, welche entweder hydraulisch oder mechanisch, an der Kopplung (1e), gekoppelt sind. Dies sind die hydraulische Druckkammer (1c) und die Gasdruckseite (1d). Die Gasdruckseite (1d) ist mit einem kompressiblen Gas gefüllt, welches beispielsweise Stickstoff sein kann, aufgrund seiner inerten Eigenschaften. Idealerweise sollte der Gasdruckspeicher (1) über ein Gasüberwachungsventil (1a) verfügen, welches jedoch nicht notwendig für die Funktion des Systems ist, aber die Betriebssicherheit unterstützt. Des Weiteren kann auf der Seite des hydraulischen Druckkammer (1c) ein Hydrauliküberwachungsventil (1b) vorhanden sein, um auch hier die Betriebssicherheit zu erhöhen, indem der anliegende Druck überwacht wird. Die Kombination aus Überwachung des Drucks der hydraulischen Seite und der Gas Seite liefern Informationen über den Status des Systems, so das gewährleistet ist, dass der Bediener die optimale Systemleistung anliegen hat. Beispielsweise ist bei der Gasdruckseite (1d) ein Verlust durch Leckage denkbar, welcher die Leistung reduziert. Eine weitere Steuergröße ist die Temperatur sowohl der hydraulischen Druckkammer (1c), als auch der Gasdruckseite (1d). Dies ist notwendig, da je nach Umgebungsbedingungen beide Fluide einen Temperaturbereich erreichen, an dem sich deren Eigenschaften verändern und die Betriebsfähigkeit eingeschränkt wird.
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Idealerweise erhält zumindest die Gasdruckseite (1d) eine Kühlung. Dabei ist die Art der Kühlung, beispielsweise erzwungene Konvektion, Ummantelung mit Kühlfluid oder Sonstiges, nicht erfindungsrelevant. Der Gasdruckspeicher (1) ist mit dem Unterstützungszylinder (4) über eine Verbindung wie beispielsweise ein Rohr oder einen Hydraulikschlauch (2) verbunden. Zur besseren Darstellung wird ein idealisierter Hydraulikschlauch (2) in den Figuren verwendet. Dieser ist in der Realität auf die Maschine zugeschnitten, nach gängigen Vorschriften, verlegt. Der Unterstützungszylinder (4) ist vergleichbar einem gängigen Differenzialhydraulikzylinder aufgebaut. Dieser besteht aus zwei Hauptbaugruppen, der Unterstützungszylinderkolbenstange (4a) und dem Unterstützungszylinderrohr (4b). In dem Beispiel der Figuren wird idealisierter Weise nur die Bodenseite des Unterstützungszylinders (4) mit dem Gasdruckspeicher (1) gekoppelt. Grundsätzlich kann die jedoch beliebig geschehen, sprich das Boden- oder Stangenseite eines Differenzialzylindern mit dem Gasdruckspeicher (1) verbunden sind. Ebenso denkbar ist ein Gleichgangzylinder, der eine oder mehrere Seiten mit dem Gasdruckspeicher (1) verbindet. In den Figuren werden sinnbildlich die so genannten Hubzylinder, in den Figuren Arbeitszylinder (5) genannt, dargestellt, welche in dieser Beispielanwendung durch den Unterstützungszylinder (4) unterstützt werden. Ideal ist eine Anbringungen auf der selben Bolzenachse beziehungsweise mit dem selben Bolzen wie die Arbeitszylinder (5). Es kann jedoch auch nur eine Seite des Unterstützungszylinders (4) auf der selben Bolzenachse liegen und die andere Seite an einer anderen Position, wobei die Achsen zwischen Arbeitszylinderbolzen und Unterstützungszylinderbolzen parallel sein sollten, egal wo die genaue Bolzen beziehungsweise Befestigungsposition ist. Als Beispiel wird in den Figuren die Kolbenbodenseite des Unterstützungszylinders (4) mit dem Gasdruckspeicher (1) verbunden. Es werden hier Arbeits- (5) und Unterstützungszylinder (3) als Differenzialzylinder dargestellt. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung wäre die Arbeitszylinder (5) temporär als Unterstützungszylinder (4) einzusetzen, indem das aus den Arbeitszylindern (5) abzuführende Öl in den Gasdruckspeicher (1) geleitet wird und über Ventiltechnik wieder eingespeist wird. Dadurch könnte der separate Unterstützungszylinder (4) gespart werden, da die Arbeitszylinder (5) diese Funktion übernehmen. Der Ausleger (3) führt eine Arbeitsbewegung aus, bei der die eigene Gewichtskraft auf den Ausleger (3) beziehungsweise auf die Arbeitszylinder (5) wirkt, womit mehr Kraft zum Anheben des Auslegers (3) benötigt wird, als zum Absenken. Das Absenken erfolgt meistens über das Ablassen des Öls in der Bodenseite der Arbeitszylinder (5), da die eigene Gewichtskraft ausreicht. Natürlich wird bei der Notwendig, dass Reißkraft im Boden benötigt wird, die Auslegerzylinder auch durchaus mit Öldruck nach unten bewegt. Im normalen Verladebetrieb zum Beispiel ist jedoch meistens ein Zyklus, bei dem die Arbeitsausrüstung, kurz der Ausleger (3), abgesenkt wird und den Gasdruckspeicher (1) vorspannen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zielt auf alle Anwendungen von mobilen Arbeitsmaschinen ab, da Energieersparnis, meistens in Form von Kraftstoffersparnis, wobei zu beachten ist, dass manche Anwendungen mehr oder weniger Nutzen der Erfindung machen. Eine prädestinierte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Betrieb der mobilen Arbeitsmaschine zur Verladung, dass Material an einer Position gegriffen oder geladen werden muss, um dann an einer anderen Stelle, wie zum Beispiel auf einem Lastkraftwagen, wieder entladen oder abgelegt werden muss. Durch die Bewegung der Arbeitszylinder (5) kann nun mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Energie gespart werden, da diese Arbeitszylinder (5) im Zyklus zusammen mit den Unterstützungszylindern (4) wirken.
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Zum bessere Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand 1 Figuren mit einer sinnbildlichen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigen die:
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1 (Primär-/Zusammenfassungsfigur): Isometrische Ansicht mit zwei Schnitten durch das Modell zur Darstellung des Gasdruckspeichers (1) und der Verbindung zum Unterstützungszylinder (4)
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2: Isometrische, geschnittene Ansicht von schräg unten, zur Darstellung der Arbeitszylinder (5) in Verbindung mit den Unterstützungszylindern (4)
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3: Isometrische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels, bei dem der Unterstützungszylinder (4) einen anderen Angriffspunkt, wie die Arbeitszylinder (5) hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasdruckspeicher, bestehend aus einer Kammer mit gasförmigen Fluid und einer Kammer mit hydraulischem Fluid
- 1a
- Gasüberwachungsventil,
- 1b
- Hydrauliküberwachungsventil
- 1c
- hydraulische Druckkammer
- 1d
- Gasdruckseite
- 1e
- Kopplung, mechanische oder hydraulische Kopplung zwischen Gasdruckseite und hydraulischer Druckkammer
- 2
- Hydraulikschlauch
- 3
- Ausleger
- 4
- Unterstützungszylinder
- 4a
- Unterstützungszylinderkolbenstange
- 4b
- Unterstützungszylinderrohr
- 5
- Arbeitszylinder/Antrieb
- 5a
- Arbeitszylinderkolbenstange
- 5b
- Arbeitszylinderrohr
- 6
- Oberwagen
- 7
- Unterwagen
